Brevet FR2341102A1 — publié le 19770909

Argument : L'invention concerne un dispositif de ventilation mécanique à double flux d'air, et thermodynamique à fluide caloporteur en circuit fermé dit pompe à chaleur ; ce dispositif fonctionne selon un régime d'hiver ou un régime d'été, l'inversion de régime étant provoquée par un volet rotatif qui modifie seulement le trajet des flux d'air interne à l'appareil. Le dispositif comporte une structure cruciforme avec au centre un caisson de distribution à quatre voies logeant le volet; de part et d'autre d'une première branche, des échangeurs fluide-air et deux caissons doubles de passage d'air ; de part et d'autre d'une deuxième branche croisant la première, deux caissons dont l'un loge un ventilateur de soufflage et l'autre un ventilateur d'extraction ; chaque flux d'air traverse un échangeur et le caisson central où il est séparé de l'autre flux par le volet. Art antérieur La ventilation d'une enceinte fermée comportent le soufflage d'air neuf dans l'enceinte et l'extraction d'air usé hors de l'enceinte, ou encore à double flux d'air, ne peut se concevoir en hiver sans réchauffage de l'air neuf prélevé à l'atmosphère. L'augmentation du coût de l'énergie a fait prévaloir depuis quelque temps les dispositifs capables de récupérer la chaleur de l'air extrait avant son rejet, notamment par le système bien connu de la pompe à chaleur. De tels dispositifs sont également capables, en été, de refroidir économiquement l'air neuf prélevé à l'extérieur, à condition d'etre pourvus d'un sytème destiné à inverser leur fonctionnement. Dans un premier type d'appareils connus à cycle d'hiver et cycle d'été, les flux de soufflage et d'extraction ne sont pas modifiés lors de l'inversion de fonctionnement ; il faut alors inverser les fonctions des échangeurs du circuit de fluide caloporteur, le condenseur en cycle d'hiver devenant évaporateur en régime d'été et vice-versa ; ceci conduit à une complication onéreuse du circuit de fluide allant bien au-delà de l'incorporation d'une vanne, du fait du changement nécèssaire de la place du compresseur et du détendeur dans le circuit caloporteur ; et conduit an outre à des difficultés de construction et de fonctionnement, un condenseur et un évaporateur n'étant pas normalement identiques, et étant différemment affectés par l'humidité du flux d'air. Dans un deuxième type d'appareils connus, au contraire du précédent, le circuit de fluide caloporteur n'est pas modifié, mais ce sont les flux d'air qui sont permutés d'un cycle à l'autre par inversion du sens de rotation des ventilateurs, le ventilateur de soufflage devenant ventilateur d'extraction et réciproquement ; les inconvénients du premier type sont éliminés, mais il en survient d'autres ; il sst impossible d'utiliser des ventilateurs centrifuges, non réversibles, alors que leurs caractéristiques aérodynamiques sont supérieures à celles des ventilateurs radiaux réversibles ; de plus, il faut encore changer les liaisons de l'enceinte avec le dispositif de ventilation pour changer de cycle, dans le cas le plus courant où le soufflage d'air neuf et la reprise d'air vicié doivent être placés dans des endroits spécifiques non interchangeables (pièce de séjour, cuisine par exemple). Dans un troisième type plus perfectionné d'eppareils connus auquel se rattache l'invention, ni le circuit de fluide ni le sens de rotation des ventilateurs n'est. modifié , ceuxci assurent chacun dans les deux cycles d'hiver et d'été se même fonction de soufflage ou d'extraction. Nais chacun des flux d'air traverse soit l'évaporateur, soit l'échangeur, contrairement à l'autre flux, grâce au changement de position d'un registre inverseur d'air. Un tel registre a été proposé dans le demande de brevet nO 75 22760 du même demandeur. Les appareils de ce type ne présentent plus aucun des inconvénients des deux types précédents. Toutefois, les dispositifs déjà décrits présentent une structure complexe peu favorable à une construction standerd économique et au rendement global. Exposé général La présente invention rassemble les éléments connus cités plus haut du troisième type de dispositif de ventilation t il s'agit donc d'un dispositif de ventilation mécanique et thermodynamique à double flux d'air et comportant un circuit fermé de fluide caloporteur qui transfère des calories entre deux échangeurs capables, l'un de réchauffer l'air et de conden ser le fluide caloporteur, l'autre de refroidir l'air et d'évaporer le fluide caloporteur, le dit dispositif pouvant fonctionner selon un régime d'hiver pour souffler dans une enceinte l'air réchauffé, ou selon un régime d'été pour souffler dans l'enceinte l'air refroidi, le changement de régime s'effectuant au moyen d'un volet rotatif inverseur unique à quatre voies, qui modifie seulement le trajet interne à l'appareil des flux d'air de soufflage et d'extraction. L'invention a pour objet de proposer une nouvelle structure de ce type de dispositifs, plus avantageuse an ce qui concerne la standardisation, le coût de construction et les pertes de charge imposées eux deux flux d'air par la configuration de leurs circuits internes, que ce soit en régime d'hiver ou en régime d'été. Ce but est atteint par la combinaison d'une structure symétrique cruciforme à deux branches creuses sensiblement perpendiculaires et se croisant en leur centre où est placé un arbre de rotation du dit volet ; la première branche comportant d'une part un caisson double de passage d'air, l'échangeur condenseur muni de filtres à air, et le premier volume d'un caisson central de distribution séparé de façon étanche en deux volumes par le volet, et d'autre part le second volume du caisson central, l'échangeur évaporateur muni de filtres à air, et un caisson double de passage d'air ; la deuxième branche comportant en son milieu, en commun avec le première branche, les deux volumes du caisson central avec le volet, et extérieurement à la première brancha, d'une part un caisson logeant un ventilateur centrifuge de soufflage d'air vers l'enceinte, et d'autre part un caisson logeant un ventilateur centrifuge d'extraction d'air hors de l'enceinte, chacun des ventilateurs engendrant un flux d'air qui traverse l'un des volumes du caisson central et l'un des échangeurs. Le caisson central de distribution est le carrefour des flux d'air F de soufflage et G d'extraction, continuellement séparés de façon étanche par le volet rotatif inverseur. Ce caisson comporte quatre voies ou ouvertures, uns sur chacun de ses cotés dans-son plan de symétrie, en communication : dans la première branche avec le condenseur et ltévaporateur, dans la deuxième branche avec les ventilateurs de soufflage et d'extraction.Le volet rotatif inverseur sépare le caisson en deux volumes et peut prendre deux positions ; dans la position A correspondant au régime d'hiver, il laisse communiquer le premier volume du caisson (ouvert en direction du condenseur) avec le ventilateur de soufflage qui ainsi crée le flux F et aspire l'air neuf à travers le condenseur ou il se réchauffe et le premier volume pour le refouler vers enceinte ; dans cette position A le volet laisse aussi communiquer le second volume du caisson (ouvert en direction de l'évaporateur) avec le ventilateur d'extraction qui ainsi crée le flux G et aspire l'air vicié de l'enceinte pour le refouler à travers le second volume et l'évaporateur,où il se refroidit,vers l'atmosphère extérieure. Par contre, dans la position B du volet rotatif occupant sensiblement l'autre diagonale du quadrilatère formé par la section du caisson central par son plan de symétrie, position qui correspond au régime d'été, le volet laisse communiquer le premier volume du caisson avec le ventilateur d'extraction qui aspire le flux G d'air vicié dans l'enceinte pour le refouler, à travers le premier volume et le condenseur où il se réchauffe, vers l'extérieur ; en même temps le volet laisse communiquer le second volume avec le ventilateur de soufflage, qui aspire le flux F d'air neuf à travers l'évaporateur où il se refroidit et le second volume, pour le refouler vers l'enceinte. On remarque que chacune des extrémités de la première branche comporte un caisson double de passage d'air. Le rôle de ces caissons doubles est de séparer deux courants d'air, soit circulant en sens inverse, soit de même sens mais appartenant à des flux différents ; l'un des courants toujours vers l'aspiration du ventilateur d'extraction, soit en régime d'été, soit en régime d'hiver.Grâce à cette disposition, la façade de la deuxième branche du dispositif située du côté du ventilateur d'extraction peut être démunie d'orifices et avantageusement constituée d'un socle de support du dispositif et de liaison avec le sols une paroi ou le plafond d'un bâtiment ; tandis que l'extrémité opposée de cette deuxième branche de structure cruciforme du dispositif regroupe en une seule façade la totalité des orifices pour l'entrée et la sortie d'air du disposi- tif, qu'il s'agisse de l'aspiration ou du refoulement des flux F de soufflage vers l'enceinte ou G d'extraction hors de l'enceinte. Enoncé des figures La Fig. 1 représente schématiquement une coupe transversale d'un dispositif de ventilation mécanique et thermodynamique selon l'invention, par un plan de symétrie perpendiculaire à l'axe de rotation d'un volet inverseur en faisant partie, le dit volet étant dans une position A correspondant au régime de fonctionnement du dispositif en hiver. La Fig. 2 représente schématiquement la même coupe transversale, le dit volet étant dans une position B correspondant au régime de fonctionnement du dispositif en été. Description détaillée d'une forme de réalisation Sur les Figs. 1 et 2 les organes sont désignés par les mêmes références ; ces figures diffèrent seulement par la position A ou B occupée par le volet, et en conséquence par le trajet des flux de soufflage (flèches F) et d'extraction (flèches G). Aucune conduite du circuit fermé de fluide caloporteur, élément connu aussi sous le nom de pompe à chaleur dans le présente application, n'a été représentée ; on ne voit donc du circuit que l'échangeur condenseur 6, l'échangeur évaporateur 7 et le compresseur 8. Ces figures montrent le volet inverseur unique 4 pouvant tourner autour d'un axe 3 et occupant sensiblement l'une ou l'autre des diagonales d'un caisson central 5 de distribution. Ce caisson 5 est séparé de façon étanche en deux volumes 1 et 2 par le volet 4 ; il comporte quatre voies ou ouvertures opposées deux à deux sur les côtés que forme le caisson en coupe transversale par le plan de figure : d'abord entre le volume 1 et le condenseur 6 et 31 entre le volume 2 et l'évaporateur 7 dans unepremiere brancha, horizontale sur les figures, d'une structure cruciforme à deux branches creuses perpendiculaires ayant en commun le caisson 5 ; ensuite 32 vers un caisson de soufflage 14 logeant un ventilateur centrifuge 15, et 33 vers un caisson d'extraction 18 logeant un ventilateur 19, ainsi d'ailleurs que le compresseur 3 du circuit thermodyna mique ; les deux ouvertures 32, 33 ainsi que les caissons respectivement attenants 14 et 18 font partie d'une deuxième brancha, verticale sur les figures, de la structure cruciforme du dispositif.Dans la position A du volet 4 (Fig. 1), l'ouverture 32 est attenante au volume 1 et fait donc communiquer le ventilateur de soufflage 15 avec le condenseur 6 ; alors que l'ouverture 33 est attenante au volume 2 et fait communiquer le ventilateur d'extraction 19 avec l'évaporateur 7. Au contraire, dans la position B du volet 4 (Fig. 2), l'ouverture 32 est attenante au volume 2 et fait communiquer le ventilateur 15 avec ltévaporateur 7, tandis que l'ouverture 33 est attenante au volume 1 et fait communiquer le ventilateur 19 avec le condenseur 6.Le changement de position du volet 4 provoque ainsi l'inversion de fonctionnement du dispositif de ventilation entre le régime d'hiver et le régime d'été, ou encore le soufflage dans l'enceinte d'air neuf réchauffé dans le premier cas (par le condenseur) et refroidi dans le second (par l'évaporateur) ; la récupération des calories ou des frigories de l'air usé étant simultanément assurée par l'échangeur en communication avec le ventilateur d'extraction. On voit aussi sur les figures 1 et 2 les caissons doubles de passage d'air situés aux deux extrémités opposées de la première branche-de la structure symétrique cruciforme, à l'extérieur des échangeurs 6 et 7. Le caisson double de gauche comprend une conduite 10 > à l'avant des figures faisant communiquer le condenseur 6 avec un orifice 20 de refoulement d'air usé.à. l'atmosphère, et une conduite 12 à l'arrière des figures faisant communiquer le condenseur 6 avec un orifice 20' (se projetant aussi sur 20) d'aspiration d'air neuf. Le caisson double de droite comporte une conduite 11, à l'avant des figures faisant communiquer l'évaporateur 7 avec un orifice 21 de refoulement d'air usé à l'atmosphère, et une conduite 13, à l'arrière des figures, faisant communiquer l'évaporateur 7 avec un orifice 21' (se projetant aussi sur 21) d'aspiration d'air neuf. Dans une variante particulière correspondant au dispositif représenté, les espaces disponibles latéralement eu caisson de soufflage 14, entre celui-ci et les deux caissons doubles, sont utilisés à l'intérieur du dispositif de ventila tion comme d'une part un caisson 16 de répartition de l'air neuf traité, à souffler dans l'enceinte, qui y est dirigé par une pluralité d'orifices 22 ; et d'autre part un caisson 17 de reprise de l'air usé, avant traitement à aspirer hors de l'en- ceinte, qui en provient par une pluralité d'orifices 23.Ce caisson 17 est relié par une conduite en by-pass (non représentée pour la clarté du dessin) au caisson d'extraction 18, ce qui permet de reporter en totalité les orifices d'entrée et de sortie d'air sur une seule façade du dispositifs ici la façade supérieure ; la façade opposée, ici inférieure, étant avantageusement utilisée comme socle de liaison du dispositif avec le bâtiment de l'enceinte. Le fonctionnement du dispositif découle des structures décrites ; il est directement visible sur la Fig. 1 en régime d'hiver et sur la Fig. 2 en régime d'été, car on y a tracé des flèches F montrant le parcours du flux d'air neuf aspiré à l'extérieur et soufflé après traitement dans l'enceinte, et des flèches G montrant le parcours du flux d'air usé aspiré dans l'enceinte et refoulé après traitement à l'atmosphère extérieure. Il va de soi que les orifices 20, 20', 21, 21', 22 et 23 sont reliés par des gaines souples standard (non représentées) à des prises ou des bouches de soufflage d'air convenablement disposées dans l'enceinte ou à l'extérieur du b - timent.Il peut être toutefois utile d'expliquer que sur les Figs. 1 et 2, la flèche g1 désigne le flux d'air t dans la partie de son parcours où il emprunte la conduite by-pass de liaison entre les caissons 17 de reprise et 18 d'extraction ; que la flèche g2 désigne sur la Fig. 1 le flux d'air G dans la partie de son parcours où il emprunte la conduite 11 pour être refoulé de l'évaporateur 7 à l'orifice 21 ; et enfin que la flèche f2 désigne sur la Fig. 2 le flux d'air F dans la partie de son parcours où il emprunte la conduite 13 pour être aspiré de l'orifice 21' à l'évaporateur 7. Pour fixer les idées, on peut indiquer qu'un des modèles prototypes du dispositif selon l'invention traite 500 m3/heure d'air neuf, a des dimensions d'environ 100 x 110 x 60 cm, est équipé de deux moto-ventilateurs de 1/6 CV et d'un motoccompresseur de 1,5 CV et fournit 5 à 6 KW de chaleur ther- modynamique pour 1,35 KW de puissance absorbée. Il peut ainsi fournir 80 % environ des besoins thermiques annuels d'une habitation individuelle de 100 m2 bien isolée thermiquement. Un tel modèle du dispositif de ventilation mécanique et thermodynamique ou des modèles plus puissants conviennent bien à la ventilation d'ateliers, magasins, bureaux, maisons individuelles ou appartements, normalement équipés d'un chauffage de base, électrique par exemple, dont la puissance et la durée de fonctionnement peuvent être fortement réduite en tenant compte de l'appoint majoritaire, et privilégié parce qu'environ quatre fois moins onéreux à la calorie fournie, apporté par le dispositif de ventilation mécanique et thermodynamique. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de ventilation mécanique et thermody namique à double flux d'air et comportant un circuit fermé de fluide caloporteur qui transfère des calories entre deux échangeurs capables, l'un de réchauffer l'air et de condenser le fluide caloporteur, l'autre de refroidir l'air et dtévaporer le fluide caloporteur, le dit dispositif pouvant fonctionner selon un régime d'hiver pour souffler dans une enceinte l'air réchauffé, ou selon un régime d'été pour souffler dans l'encein- te l'air refroidi, le changement de régime s' effectuant au moyen d'un volet rotatif inverseur unique à quatre voies, caractérisé: - par une structure symétrique cruciforme à deux branches creuses sensiblement perpendiculaires et se croisant en leur centre où est placé un arbre de rotation du dit volet ; la première branche comportant d'une part un caisson double de passage d'air, l'échangeur condenseur muni de filtres à air, et le pre mier uolume d'un caisson central de distribution séparé de fa çon étanche en deux volumes par le volet, et d'autre part le second volume du caisson central, l'échangeur évaporateur muni de filtres à air, et un caisson double de passage d'air ; la deuxième branche comportant en son milieua en commun avec la première brancha, les deux volumes du caisson central avec le volet, et extérieurement à la première branche, d'une part un caisson logeant un ventilateur centrifuge de soufflage d'air vers l'enceinte, et d'autre part un caisson logeant un ventilateur centrifuge d'extraction d'air hors de l'enceinte, chacun des ventilateurs engendrant un flux d'air qui traversa l'un des volumes du caisson central et l'un des échangeurs. 2.- Dispositif de ventilation selon la revendication 1, caractérisé - en ce qu'une extrémité de la deuxième branche de la dite structure cruciforme est limitée par une façade où sont groupés en totalité des orifices pour l'entrée ou la sortie d'air du dispositif, I'extrémité opposée de cette meme branche étant limitée par un socle.