Les dispositifs(1) sont des machines SPRATL, assemblées et exploitées dans les configurations qui vont être développées ; ainsi, comme évoqué à la page de présentation, ils apportent des améliorations très significatives dans le domaine des machines de Stirling, grâce:

-    à un suivi beaucoup plus rigoureux du diagramme (P,V) (P : pression du fluide, V : volume du fluide),

-    à la possibilité d’isoler presque totalement la partie chaude et la partie froide du dispositif(1),

-   à l’utilisation d’un régénérateur(RGN) simple et parfaitement isolé, assurant d’excellents échanges thermiques, et sans pertes notables par laminage pour le fluide qui y circule en écoulement unidirectionnel,

-    à l’exploitation du caractère rotatif et bi-étage à volumétries inégales des machines PRATL (à Piston Rotatif Annulaire TriLobique) (2,2F,2C) inventées par Pascal HA PHAM.



    Tel qu’illustré sur la figure 3L, une machine PRATL (2,2F,2C) générique est composée d’un noyau bi-arc (NBA), d’un piston rotatif annulaire (PRA) et d’un carter (CAR) dont la forme intérieure constitue la trajectoire des extrémités du piston trilobique (PRA) lors de ses différents mouvements de rotation et glissement. Lorsque le piston (PRA) tourne et glisse autour du noyau bi-arc (NBA), et à l’intérieur du carter(CAR), une structure bi-étage apparaît, avec 2 familles de chambres mobiles :
-    étage interne : petites chambres (PC1,PC2,PC3) entre les faces internes du piston (PRA) et du noyau (NBA),
-    étage externe : grandes chambres (GC1,GC2,GC3) entre les faces externes du piston rotatif annulaire (PRA) et le carter (CAR).




En appelant VM le volume maximum de l’une de ces 6 chambres, et Vm son volume minimum, le comportement pour une chambre quelconque se résume en pratique à des cycles en 3 temps de type :
-    phase de refoulement « R », volume VM->Vm
-    phase d’aspiration « A », volume Vm->VM
-    phase de transport à volume constant maximum « V=VM »

Aussi bien pour les petites chambres (PC1,PC2,PC3) que pour les grandes chambres (GC1,GC2,GC3), Vm peut être nul. Le volume maximum des grandes chambres est supérieur à celui des petites et leur rapport est paramétrable par la géométrie du piston(PRA) tel que décrit dans la demande 07.6157 déposée auprès de l’INPI par Pascal HA PHAM.


    La présente invention utilise un nombre pair N de machines PRATL (2) ; N/2 sont chaudes car chauffées à Tc, et N/2 sont froides car refroidies à Tf. Chaque machine froide est reliée à une machine chaude avec un ou plusieurs régénérateurs (RGN).
    Tel qu’illustré aux figures 2A à 2F, la connexion de 2 machines (2F,2C), l’une froide, l’autre chaude, via un régénérateur (RGN), donne la structure typique du dispositif(1) ; des cas plus élaborés sont envisageables.


    Tel qu’illustré aux figures 3A et 3B, dans la machine PRATL froide (2F) sont aménagées 8 lumières de circulation unidirectionnelle du fluide caloporteur :
-    LUGFHG : lumière débouchant dans la grande chambre froide de la partie haute et gauche,
-    LUGFHD : lumière débouchant dans la grande chambre froide de la partie haute et droite,
-    LUGFBG : lumière débouchant dans la grande chambre froide de la partie basse et gauche,
-    LUGFBD : lumière débouchant dans la grande chambre froide de la partie basse et droite.
-    LUPFHG : lumière débouchant dans la petite chambre froide de la partie haute et gauche,
-    LUPFHD : lumière débouchant dans la petite chambre froide de la partie haute et droite,
-    LUPFBG : lumière débouchant dans la petite chambre froide de la partie basse et gauche,
-    LUPFBD : lumière débouchant dans la petite chambre froide de la partie basse et droite.

    De même dans la machine PRATL chaude (2C), tel qu’illustré sur les figures 3C et 3D :
-    LUGCHG : lumière débouchant dans la grande chambre chaude de la partie haute et gauche,
-    LUGCHD : lumière débouchant dans la grande chambre chaude de la partie haute et droite,
-    LUGCBG : lumière débouchant dans la grande chambre chaude de la partie basse et gauche,
-    LUGCBD : lumière débouchant dans la grande chambre chaude de la partie basse et droite.
-    LUPCHG : lumière débouchant dans la petite chambre chaude de la partie haute et gauche,
-    LUPCHD : lumière débouchant dans la petite chambre chaude de la partie haute et droite,
-    LUPCBG : lumière débouchant dans la petite chambre chaude de la partie basse et gauche,
-    LUPCBD : lumière débouchant dans la petite chambre chaude de la partie basse et droite.


    Les connexions décrites ci-après font fonctionner le dispositif (1) en moteur de Stirling dans l’hypothèse où les pistons rotatifs annulaires (PRA) sont contra-rotatifs et partent initialement tel qu’illustré à la figure 3I .

    Le régénérateur(RGN) assure les transferts de fluide caloporteur entre les machines PRATL (2F) et (2C) grâce à 4 tuyaux enroulés en hélicoïde, illustrés à la figure 2E:
-    le premier connecte LUGCHD à LUGFBG,
-    le second connecte LUGCBG à LUGFHD,
-    le troisième connecte LUPFHG à LUPCBD, et,
-    le quatrième connecte LUPFBD à LUPCHG.



    Ces 4 connexions externes à (2F,2C) relient systématiquement des chambres de même nature (hormis leurs températures opposées) et dont la volumétrie varie exactement en sens inverse : ainsi, la réalisation des phases isochores du cycle de Stirling est parfaite (aussi bien à petit volume Vmin qu’à grand volume Vmax) et se fait à travers un régénérateur (RGN) très efficace (voir ‘principe et avantages du régénérateur’). Les 4 autres connexions sont des connexions internes à chaque machine :
-    machine PRATL froide (2F)
        o    connexion de LUGFHG à LUPFHD
        o    connexion de LUGFBD à LUPFBG
-    machine PRATL chaude (2C)
        o    connexion de LUPCHD à LUGCHG
        o    connexion de LUPCBG à LUGCBD

    Ces 4 connexions relient systématiquement des chambres de même température, l’une grande, l’autre petite, dont la volumétrie varie en sens inverse, mais pas à la même vitesse : les transitions isothermes Vmax<->Vmin du cycle de Stirling sont ainsi réalisées (aussi bien en détente/compression qu’à température chaude et froide).

    L’ensemble des connexions et les sens d’écoulement du fluide pour obtenir un moteur sont récapitulés aux figures 3E et 3F. La figure 3F montre qu’au sein du régénérateur, il est possible de réaliser une jonction entre LUGCHD et LUGCBG, ainsi qu’une bifurcation vers LUGFBG et LUGFHD (de même pour LUPFHG,LUPFBD et LUPCBD,LUPCHG).

    Dans cette dernière configuration, le régénérateur ne comportera ainsi que 2 tuyaux, parcourus par un flux unidirectionnel continu de fluide. Le sens de parcours d’un tuyau à l’autre est en revanche opposé, ce qui permet au régénérateur, avec de simples tuyaux, d’être un échangeur de températures quasi-parfait pour les fluides froid et chaud transitant entre (2F) et (2C) afin de réaliser leur chauffage et refroidissement isochores (2->3 et 4->1).

    Lorsqu’on souhaite un fonctionnement en récepteur de Stirling, afin d’avoir une pompe à chaleur, ou bien un réfrigérateur, à condition de fournir un travail mécanique, les connexions précédentes restent valables, mais :
-    le sens de rotation des machines sera inversé, donc,
-    le sens d’écoulement de tous les fluides est inversé.

Les figures 3G et 3H récapitulent l’ensemble des connexions et les sens d’écoulement du fluide pour obtenir un récepteur SPRATL avec le dispositif(1).



    Ainsi, les connexions précédentes font fonctionner la machine SPRATL en récepteur de Stirling dans l’hypothèse où les pistons rotatifs annulaires sont contra-rotatifs et partent initialement tel qu’illustré à la figure 3J .

     Les connexions exposées ici et le caractère contrarotatif ne sont qu’une possibilité parmi d’autres : ils ne restreignent en rien les configurations possibles entre les machines froides et chaudes. L’unique condition à respecter est qu’au sein de chaque machine, chaque piston (PRA) soit initialement dans la position décrite en figure 3N et tourne à la même vitesse. Quelle que soit l’orientation relative des machines (2F,2C) et/ou leur sens de rotation, on peut toujours trouver une combinaison de connexions pour avoir un moteur ou un récepteur SPRATL conforme au dispositif(1).



    La description précédente a montré le fonctionnement de base avec 2 machines PRATL (2,2F,2C), l’une froide(2F), l’autre chaude(2C). La figure 3O montre les sous-ensembles (2F) et (2C) d’un dispositif(1) vus comme des blocs fonctionnels indépendants :

-    pour la machine PRATL froide (2F) :
        o    2 entrées externes de fluide dans les grandes chambres,
        o    2 sorties externes de fluide par les petites chambres, et,
       o    des circulations internes du fluide, soit par déplacement du piston rotatif annulaire (PRA), soit par connexion via un tuyau.
-    pour la machine PRATL chaude (2C) :
        o    2 sorties externes de fluide par les grandes chambres,
        o   2 entrées externes de fluide dans les petites chambres, et,
       o    des circulations internes du fluide, soit par déplacement du piston rotatif annulaire(PRA), soit par connexion via tuyau.

    Il est ainsi possible de construire un moteur SPRATL conforme au dispositif(1) avec un nombre N pair de machines (2), dont N/2 sous-ensembles (2F) et N/2 sous-ensembles (2C), et N régénérateurs (RGN1,RGN2,RGN3,RGN4,RGN5,RGN6…) avec les connexions décrites à la figure 3P pour N=6, et à la figure 3Q pour N=4.
    La règle à respecter est d’implanter, entre 2 machines consécutives (2F) et (2C), deux tuyaux de connexion faisant circuler le fluide dans deux sens opposés ; ceci est nécessaire pour assurer la fonction d’échangeur de températures du régénérateur(RGN).
 
    Les machines(2,2F,2C) peuvent être assemblées transversalement (mises en parallèle) ou longitudinalement (mises en série), tel qu’illustré respectivement aux figures 2I et 2J dans le cas de N=4, à partir desquelles l’on généralise aisément les structures longitudinales et transversales pour tout N pair et supérieur ou égal à 4 tel qu'illustré aux figures 3P et 3Q..

    Enfin, pour disposer d’un récepteur de Stirling conforme au dispositif(1), il suffira d’inverser le sens de rotation des machines(2,2F,2C): tous les écoulements de fluide de la figure 3O seront ainsi inversés et, en fournissant du travail mécanique au dispositif(1), celui-ci se comportera comme un réfrigérateur (au niveau des machines(2F)) ou une pompe à chaleur (au niveau des (2C)).