Brevet FR2130709A1 — publié le 19721103

La présente invention concerne un échangeur de chaleur et un appareil de chauffage. On connaît un procédé pour chauffer un fluide, par exemple de 11 eau dans un ballon qui fournit de l'eau chaude pour usage domestique dans lequel on plonge un élément électrique dans liteau. On connaît également un procédé pour chauffer de l'eau indirectement dans un ballon en faisant circuler de l'eau chaude à travers un tube en spirale situé à l'intérieur du ballon, l'eau qui circule dans ce tube étant chauffée à l'aide d'une chaudiere. La présente invention cherche à perfectionner les procédés classiques de transfert de chaleur par un fluide. Selon la présente invention, un échangeur de chaleur comprend un noyau tubulaire creux comportant une spirale conique qui s'étend au moins sur une partie de la surface extérieure du noyau, la spirale étant logée de manière amovible à l'intérieur d'un corps comportant un perçage conique dimensionné de façon à recevoir les spires de la spirale à ajustement glissant. Avantageusement, la spirale s'étend sur toute la longueur du noyau, le diamètre intérieur de la spirale décroissant progressivement d'une extrémité du noyau à l'autre. De préférence, le noyau tubulaire creux est conformé extérieurement en cône, au moins sur la partie de sa longueur qui porte la spirale, la conicité du noyau convergeant dans une direction opposée à celle de la conicité de la spirale. Un élément chauffant, tel qu'unie cartouche électrique chauffante, est disposé à l'intérieur du noyau tubulaire et est mis sous tension pour chauffer un fluide, par exemple de l'eau, circulant le long du passage défini par les spires de la spirale, la surface extérieure du noyau et le perçage du corps. Les spires de la spirale sont serrées les unes pres des autres de sorte que le volume de fluide qui circule entre les spires à un moment donné est faible. En raison du faible volume de fluide qui circule dans l'échangeur de chaleur et en raison des grandes surfaces chauffantes formées par les spires de la spirale, on obtient un chauffage du fluide efficace et tres rapide. Les extrémités opposées du corps peuvent être conformées en rebords, de sorte qu'un ou plusieurs échangeurs de chaleur peuvent être reliés les uns aux autres et que des raccords pour l'entrée et la sortie du fluide peuvent être fixés aux extrémités opposées de l'échangeur. Lorsque l'on utilise un seul échangeur de chaleur pour chauffer un fluide, le fluide peut être introduit dans l'échangeur à l'extrémité de la spirale qui a le plus grand diamètre. En circulant le long du canal défini par les spires de la spirale, le fluide est accéléré en raison de la réduetion progressive du volume compris entre les spires successives de la spirale, réduction due à la forme conique des surfaces. On peut prévoir une pompe pour faciliter le refoulement du fluide dans l'échangeur. Dans les cas où on n'utilise pas de pompe, on peut prévoir un clapet de retenue situé dans la conduite d'arrivée afin d'empêcher la possibilité d'une contre-pression et un mouvement du fluide dans une direction opposée à celle de l'écoulement. On peut relier un ou plusieurs échangeurs de chaleur soit en série, soit en parallèle. Dans le cas où ils sont reliés en série, ils peuvent être disposés bout à bout, la large extrémité de l'un étant bout à bout avec la large extrémité de l'échangeur voisin, ou bien la large extrémité de l'un étant bout à bout avec l'extrémité étroite de l'échangeur voisin. L'échangeur de chaleur, qui peut être utilisé seul ou en combinaison, peut fournir de l'eau chaude pour usage domestique ou pour un appareil de chauffage central. Ainsi, selon la présente invention, on peut utiliser un ou plusieurs des échangeurs de chaleur comme on les a décrits ci-dessus dans un appareil de chauffage central. On peut donc disposer un ou plusieurs échangeurs de chaleur dans la conduite d'arrivée d'un tube en spirale à chauffage indirect d'un ballon fournissant de l'eau chaude pour usage domestique. De la même façon, un ou plusieurs échangeurs de chaleur peuvent être compris dans le circuit d'un appareil de chauffage central. On peut faire varier la température de l'eau ou du fluide en contrôlant par thermostat l'élément chauffant de chaque échangeur de chaleur. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-dessous à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente un noyau tubulaire creux comportant une spirale externe intégrale et formant une partie d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention - la figure 2 représente la spirale de la figure 1 comportant le noyau et située à l'intérieur du corps pour former l'échangeur de chaleur - la figure 3 représente un premier mode de réalisation pour relier deux échangeurs de chaleur l'un à l'autre - la figure 4 représente un deuxième mode de réalisation pour relier deux échangeurs de chaleur l'un à l'autre ; et - la figure 5 représente encore une variante de l'échangeur de chaleur. Sur la figure 1, on voit un noyau tubulaire central 10 comportant un perçage 12 de diamètre sensiblement constant. L'épaisseur de la paroi du noyau augmente progressivement d'une extrémité à l'autre, de sorte que la surface extérieure 14 du noyau est conique. Le noyau porte une spirale intégrale 16 qui peut être formée d'une seule pièce, le diamètre extérieur de la spirale 16 décroissant progressivement de l'extrémité du noyau qui a un diamètre extérieur minimal à l'extrémité opposée du noyau. La forme conique de la spirale converge dans une direction opposée à celle du noyau. Les spires de la spirale sont disposées les unes près des autres et peuvent avoir un pas de 0,64 cm. Le noyau peut avoir une longueur d'environ 12,7 cm, son diamètre augmentant de 1,9 cm environ à 2,5 cm. Le diamètre extérieur de la spirale peut diminuer de 6,35 cm environ à 5,0 cm. Le dispositif peut être fabriqué à partir de matériaux qui ont de bonnes propriétés calorifères, par exemple un métal tel que l'aluminium ou un alliage d'aluminium. La spirale est logée de manière amovible à l'intérieur du corps cylindrique creux 18, comme le montre la figure 2. La paroi intérieure 20 du corps est conique pour correspondre à la forme conique de la spirale, de sorte que, quand elle est introduite dans le corps 18, la surface périphérique de la spirale bute contre la paroi intérieure 20 à ajustement glissant. Un canal hélicoïdal continu 21, qui est ainsi formé, est défini par les faces opposées des spires adjacentes de la spirale 16, la surface extérieure 14 du noyau et la paroi intérieure 20 du corps. On introduit le fluide à chauffer, par exemple de l'eau, dans la large extrémité 22 de l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire l'extrémité ou le diamètre de la spirale est maximal. Le corps 18 est muni de couvercles d'extrémité 24 et 26 comportant respectivement des orifices d'entrée et de sortie 28 et 30. Le couvercle d'extrémité 26 peut être fixé au corps par plusieurs boulons 31 répartis circonférentiellement et, quoique le couvercle d'extrémité 24 puisse être fixé au corps de manière analogue, il y est fixé de préférence à l'aide d'une bague de fixation 33 qui entoure les rebords situés aux extrémités du corps 18 et du couvercle d'extrémité 24. Une cartouche électrique chauffante 34, par exemple un élément de 0,5 Kw ou de 1,0 Kw, est logée de manière amovible dans le perçage 12 du noyau. Les extrémités du perçage 12 peuvent être fermées pour empêcher l'eau d'y entrer. En fonctionnant, de l'eau entre dans la spirale par l'orifice d'entrée 28 et circule autour des spires de la spirale et après avoir circulé autour de ces spires, elle sort par l'orifice de sortie 30. Pendant son passage, l'eau est accélérée en traversant un canal dont le diamètre décroît progressivement. Une soupape de retenue peut être disposée dans une conduite d'arrivée avant l'orifice d'entrée 28. Le volume d'eau qui se trouve, à un moment donné, entre les spires de la spirale est faible, tandis que la surface chauffante est grande. Lorsque l'on met la cartouche chauffante 34 sous tension, l'eau qui circule à travers la spirale est chauffée rapidement. L'eau se dilate et cette dilatation à l'intérieur de la spirale augmente la vitesse de l'eau sortant de l'orifice de sortie. Plus l'eau est chaude, plus la dilatation est importante et plus la vitesse de l'eau qui sort de l'orifice de sortie est grande. Cette augmentation de vitesse tend à créer une aspiration à travers la spirale, augmentant ainsi la vitesse d'entrée à l'orifice 28. L'échangeur de chaleur peut être utilisé pour fournir de l'eau chaude soit pour un usage domestique, soit pour un appareil de chauffage central. Deux échangeurs de chaleur tels que ceux représentés sur la figure 2 peuvent être disposés par exemple de façon à fournir de l'eau chaude pour usage domestique ainsi que pour un appareil de chauffage central. L'eau contenue dans le ballon est chauffée de manière classique à l'aide d'un tube en spirale situé à l'intérieur du ballon. Un des échangeurs de chaleur est disposé à l'intérieur d'une conduite de retour allant au tube en spirale à chauffage indirect, la cartouche chauffante de cet échangeur de chaleur étant contrôlée par un thermostat situé dans le ballon. Le deuxième échangeur de chaleur est disposé à l'intérieur de la conduite sortant du tube indirect qui est situé dans le ballon et est contrôlé par un thermostat situé dans la pièce à chauffer. Une pompe de refoulement est disposée dans la conduite de retour allant de l'appareil de chauffage central au ballon et une soupape est située en amont de la pompe. Un tuyau de liaison est raccordé entre la conduite de sortie et la conduite de retour, étant relié à cette dernière à la jonction de la pompe et de la soupape.Une seconde soupape est disposée dans le tuyau de liaison. En hiver, la seconde soupape, située dans le tuyau de liaison, est fermée et la soupape située dans la conduite de retour est ouverte. La pompe fait circuler de l'eau dans la tuyauterie. L'eau, qui est chauffée par le second échangeur de chaleur, circule à travers l'appareil de chauffage central et retourne en traversant la premier échangeur de chaleur. L'eau est encore chauffée par l'échangeur de chaleur situé dans la conduite de retour avant d'entrer dans le tube indirect pour chauffer de l'eau contenue dans le ballon pour fournir de l'eau chaude pour usage domestique. L'eau passe ensuite dans la conduite de sortie et dans le second échangeur de chaleur et le cycle se répète.Lorsque l'eau contenue dans le ballon atteint la température voulue, le thermostat du ballon fonctionne pour mettre hors tension l'échangeur de chaleur placé dans la conduite de retour, l'échangeur de chaleur situé dans la conduite de sortie étant mis hors tension lorsque la température de la pièce aura atteint la température contrôlée par le thermostat de la pièce. En été, on a besoin de l'eau chaude uniquement pour usage domestique. La soupape du tuyau de liaison est ouverte, alors que celle de la conduite de retour qui est située en amont de la jonction du tuyau de liaison de la conduite de retour est fermée. Ensuite, l'eau circule dans les deux échangeurs de chaleur comme on l'a décrit ci-dessus et elle est chauffée rapidement pour chauffer l'eau contenue dans le ballon. L'appareil de chauffage central est isolé de la circulation de l'eau chaude. On peut utiliser un commutateur pour alimenter ltéchangeur de chaleur situé dans la conduite de sortie en courant électrique court-circuitant le thermostat de la pièce. Un coupe-circuit fonctionne quand l'eau atteint la témpérature voulue pour mettre hors tension l'échangeur de chaleur situé dans la conduite de sortie.L'eau est ainsi chauffée au début par les deux échangeurs de chaleur et ensuite elle est chauffée uniquement par l'échangeur de chaleur situé dans la conduite de retour qui est contrôlée par le thermostat du ballon. On voit sur la figure 3 deux échangeurs de chaleur, comme ceux représentés sur la figure 2, reliés l'un à l'autre par leur large extrémité. Le couvercle d'extrémité de la conduite 22 est supprimé et les deux échangeurs de chaleur sont reliés l'un à l'autre à l'aide d'une bague de fixation 33. Une entretoise 35 est prévue entre les deux noyaux des échangeurs de chaleur. Les mêmes références que l'on a utilisées pour la figure 3 désignent les parties correspondantes sur la figure 2. On notera que le couvercle d'extrémité 26 est monté à chaque extrémité de ces deux échangeurs de chaleur et que les orifices d'entrée et de sortie peuvent être prévus à n'importe quelle extrémité du dispositif qui est symétrique autour d'un plan central transversal à son axe longitudinal. En se référant à la figure 3, on peut croire que 11 orifice du couvercle prévu à gauche de l'échangeur de chaleur soit l'entrée, mais on comprendra que l'eau puisse circuler en sens inverse et que l'échangeur de chaleur puisse fonctionner de la même manière. Dans cette disposition, la cartouche chauffante peut être de 2,0 Kw. En se référant à la figure 3, de l'eau entre dans l'échangeur de chaleur par l'extrémité de la spirale qui a un diamètre réduit. De ce fait, la vitesse de l'eau qui entre par l'entrée et qui circule autour de la spirale en passant vers le centre de l'échangeur de chaleur est réduite, puisque l'eau passe à travers une zone dont le volume augmente progressivement. Lorsque l'eau est chauffée par la cartouche chauffante, en raison de sa vitesse décroissante, l'eau qui passe à gauche de l'échangeur de chaleur absorbe davantage de chaleur que celle qui circule à droite de l'échangeur. Lorsque l'eau entre à droite de l'échangeur de chaleur, le fonctionnement est comme on le décrit en se référant à la figure 2 et le débit d'eau augmente. Une pompe de refoulement est disposée dans le circuit d'eau pour faciliter son écoulement à travers le dispositif. On voit que sur la figure 4, un ensemble de deux échangeurs de chaleur tels qu'on les a décrits en se référant aux figures 1 et 2 qui sont reliés l'un à l'autre, de sorte que la large extrémité d'une spirale bute contre l'extrémité étroite de la spirale voisine. Dans cette disposition, l'eau circulant de l'entrée 28 vers la sortie 30,est accélérée en passant à travers chaque spirale. Les deux échangeurs de chaleur peuvent être disposés avantageusement dans un réservoir d'eau ou un ballon 40, un tuyau de montée 42 s'étendant de la sortie 30 jusqu' au point situé légèrement au-dessous de la surface de l'eau 44 contenue dans le réservoir. L'entrée 28 est en communication directe avec l'eau. Lorsque l'eau contenue entre les spires des spirales 16 est chauffée par la cartouche chauffante 34, de l'eau chaude monte dans le tuyau de montée 42 pour chauffer l'eau contenue dans le réservoir. Des courants de convection s'établissent et de l'eau circule sans arrêt à travers les échangeurs de chaleur. La charge d'eau comprise entre le haut du tuyau de montée et l'entrée 28 fonctionne en soupape et la différence de pression permet à l'eau de circuler toujours du bas en haut à travers les échangeurs de chaleur. Les échangeurs de chaleur sont montés sur l'embase du réservoir 40 par des pieds de support 46. Une douille de connection 48 située sur l'embase porte les conducteurs électriques pour la cartouche chauffante. On voit sur la figure 5 une variante de ltéchangeur de chaleur. Comme cidessus, les mêmes références désignent les mêmes parties des échangeurs de chaleur, mais sur la figure 5 chaque spirale 16 est entourée par une spirale extérieure 50. C'est ainsi qu'un corps 52 de chaque spirale intérieure 16 comporte lui-même une spirale intégrale extérieure 50 et le dispositif entier est logé dans un corps 54. Une cartouche chauffante 34 est située comme auparavant dans le noyau central et une bande chauffante 56 est disposée autour du corps extérieur 54. La bande chauffante peut être disposée autour de la périphérie du corps extérieur ou elle peut être encastrée dans la paroi du corps extérieur. Les échangeurs de chaleur de la figure 5 sont montés sur des pieds de support 46 à l'intérieur d'un réservoir ou ballon d'eau 58. Deux circuits séparés pour la circulation de l'eau sont prévus dans la disposition de la figure 5. Le premier circuit passe à travers les spirales intérieures des échangeurs de chaleur et comporte un orifice d'entrée 28 et un orifice de sortie 30. Ce circuit est raccordé à un appareil de chauffage central dont les conduites de retour et de sortie sont représentées respectivement par les lignes 66 et 64. Le deuxième circuit passe à travers les spirales extérieures des échangeurs de chaleur et comporte un orifice d'entrée 60 et un orifice de sortie 62. Un tuyau de montée 42 est raccordé à l'orifice de sortie 62 et ce second circuit fonctionne de la même manière que les échangeurs de chaleur décrits en référence à la figure 4. Le second circuit peut donc fournir de l'eau chaude dans le réservoir. La bande chauffante 56 de chaque échangeur chauffe non seulement 1 l'eau qui circule à travers les spirales extérieures, mais aussi l'eau contenue dans le réservoir. Les éléments chauffants représentés sur les figures 4 et 5 comportent des contrôles thermostatiques. Bien que l'on utilise de préférence les deux circuits d'eau comme le montre la figure 5, il est toutefois possible de modifier la disposition, de sorte que l'appareil de chauffage central est raccordé aux spirales extérieures. L'eau contenue dans le réservoir est chauffée en passant à travers les spirales intérieures. Dans les figures, la référence 36 désigne des joints d'étanchéité qui sont insérées entre les faces des échangeurs de chaleur qui butent l'une contre l'autre. Quoique la figure 5 représente deux échangeurs de chaleur montés l'un sur l'autre, chacun comportant une spirale extérieure et une spirale intérieure, on comprend que l'on puisse utiliser un seul ou plusieurs échangeurs de chaleur dépendant du fonctionnement voulu. De même, en référence aux figures 3 et 4, il est possible d'utiliser un ou plusieurs échangeurs de chaleur. En raison du faible volume de fluide, par exemple de l'eau, contenu dans la ou les spirales à un moment donné et qui est chauffé par une grande surface chauffante formée par les spires de la ou des spirales, le fluide est chauffé d'une manière économique, efficace et rapide. Un seul échangeur de chaleur comme celui représenté sur la figure 2 peut être utilisé de la même manière que celui représenté sur la figure 4 pour chauffer de l'eau contenue dans un réservoir, et en se référant à la figure 5, les deux circuits d'écoulement d'eau peuvent être utilisées de la même manière que celles de la figure 4 pour chauffer de l'eau contenue dans un réservoir. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu il comprend un noyau tubulaire creux (10) comportant une spirale conique (16) qui s'étend sur au moins une partie de la surface extérieure du noyau, la spirale étant logée de manière amovible à l'intérieur d'un corps (18) qui comporte un perçage conique (20) dimensionné de manière à recevoir à ajustement glissant les spires de la spirale, une entrée de fluide (28) et une sortie de fluide (30) étant prévues dans le corps et communiquant avec les spires de la spirale. 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau tubulaire creux (10) est conformé extérieurement en cône sur au moins la partie de sa longueur qui porte la spirale, la conicité (14) du noyau convergeant dans une direction opposée à celle de la conicité de la spirale. 3.- Echangeur de chaleur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un élément chauffant, de préférence une cartouche électrique chauffante (34) est logé de manière amovible à l'intérieur du noyau (10). 4.- Echangeur de chaleur, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu il comprend plusieurs desdits corps (18), comportant chacun une spirale et qui sont disposés bout à bout de manière jointive. 5.- Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les corps sont disposés de telle manière que la large extrémité du perçage conique d'un corps soit adjacente à la large extrémité du perçage conique du corps voisin. 6.- Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les corps sont disposés de telle manière que la large extrémité du perçage conique d'un corps soit adjacente à l'extrémité étroite du perçage conique du corps voisin. 7.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (18, 52) comporte sur sa surface extérieure une spirale conique (50) qui à son tour est logée de manière amovible dans un corps extérieur (54) > la spirale (16) du noyau et la spirale (50) du corps définissant deux circuits séparés pour la circulation du fluide. 8.- Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un élément chauffant supplémentaire (56) qui est disposé dans le corps extérieur (54) ou autour de celui-ci. 9.- Appareil de chauffage, caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs des échangeurs de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes.