Brevet FR2383399A1 — publié le 19781006

L'invention est relative aux installations de climatisation à effet PELTIER, ctest-à-dire aux installations de climatisation comportant des batteries thermo-électriques formées de thermoéléments montés entre des parois d'échanges thermiques agen cees en forme d r échangeur et qui se trouvent maintenues à des températures différentes lorsqu'un courant electrique continu circule dans les thermo-éléments. Dans une telle installation, on peut donc engendrer un courant d'air rechauffé ou un courant d'air refroidi - par rapport à la température ambiante extérieure au local à climatiser - suivant le sens du courant continu qui traverse les thermo-éléments. Or, on sait que le courant continu - surtout à la tension relativement basse (de l'ordre de 50 à 200 volts ou plus par exemple) avec laquelle sont alimentées les batteries thermoélectriques - n'est pas disponible normalement dans ou au voisinage de locaux, fixes ou mobiles, que lton désirerait climatiser. Dans ces conditions, il est nécessaire de prévoir, pour alimenter es batteries thermo-électriques, des moyens convertisseurs pour passer dtun courant électrique disponible (al- ternatif, pseudo-alternatif, voire même continu ou pseudocontinu), à un courant continu basse tension (50 à 200 volts). Par- exemple, lorsqu'on dispose d'un courant alterdatif- basse tension (220 volts), ces moyens convertisseurs peuvent être constitués par un simple redresseur. Par exemple encore, lorsqu'on dispose d'un courant.alternatif de tension plus élevée (1500 volts), ces moyens convertisseurs doivent comprendre d'abord un transformateur abais sangla tension alternative jusqu'à une valeur compatible avec l'alimentation des batteries thermo-électriques, et ensuite un redresseur transformant cette basse tension-alternative en basse tension continue. De toute façon, quels que soient les moyens convertisseurs auxquels on fait appel, il est nécessaire de prévoir leur refroidissement, de préférence par une circulation forcée d'air autour des moyens convertisseurs. L'invention a pour but une intégration avantageuse de ces moyens convertisseurs dans l'installation de climatisation. L'installation de climatisation conforme à l'invention comporte : au moins une batterie thermo-électrique délimitant un circuit d'air ambiant et un circuit d'air de climatisation (air de climatisation à réchauffer ou à refroidir par rapport à l'air ambiant) ; des premiers moyens de ventilation pour faire circuler l'air ambiant ; des seconds moyens de ventilation pour faire circuler l'air de climatisation vers son poste d'utilisation (local à climatiser) ; et des moyens convertisseurs pour l'alimentation électrique en basse tension continue de la batterie thermo-électrique, ces moyens convertisseurs étant euxmêmes alimentés en courant électrique ; et elle est caractérisée par le fait que les susdits moyens convertisseurs sont disposés de manière à être baignés par l'écoulement d'air ambiant et à être situés en amont de la batterie thermo-électrique par rapport au sens de circulation de l'air ambiant lorsque l'installation réchauffe l'air de climatisation. Grâce à cette disposition, il est-inutile de prévoir des moyens de refroidissement spéciaux pour les moyens convertisseurs, puisque ceux-ci se trouvent baignés - soit dans l'écoulement d'air ambiant qui sort de la batterie thermo-électrique -(installation refroidissant l'air de clima tisation), écoulement dont la température s7est légèrement élevée au cours de la traversée de la susdite batterie, mais dont le débit est élevé, ce qui permet d'obtenir un effet de refroidissement satisfaisant, - soit dans l'écoulement d'air ambiant qui va entrer dans la batterie thermo-électrique (installation réchauffant l'air de climatisation), écoulement dont le débit est faible, mais dont la température est la température ambiante, ce qui permet encore d'obtenir un effet de refroidissement satisfaisant car, dans ce mode de fonctionnement, la température ambiante est faible puisqu'on -désire réchauffer l'air de climatisation. Le rapport entre le débit élevé d'air ambiant (installation refroidissant l'air de climatisation) et le débit faible air ambiant (installation réchauffant l'air de climatisation), peut se situer, environ, dans les limites comprises entre 3 à 1 et 7 à 1. L'expérience montre, en effet, qu'il y a intérêt à faire fonctionner la batterie thermo-électrique avec un faible débit d'air ambiant lorsque l'installation réchauffe l'air de climatisation, alors qu'au contraire le débit d'air ambiant doit être le plus élevé possible lorsque l'installation refroidit l'air de climatisation-. Un autre avantage de cette disposition, qui existe lorsque l'installation réchauffe l'air de climatisation, réside dans l'augmentation de la température de l'air ambiant après avoir baigné les moyens convertisseurs et avant son entrée dans la batterie thermo-électrique. Cette augmentation de la température d'entrée de l'air ambiant permet, - d'une part, d'augmenter le rendement de la batterie thermo électrique (écart plus faible entre la température de la source chaude et la température de la source froide de la pompe à chaleur constituée par la batterie thermo-électrique), - et, d'autre part, de diminuer les risques de givrage dans la batterie thermo-électrique, au cours du refroidissement que subit l'air ambiant. Enfin, il convient de signaler que la disposition selon l'invention permet de réaliser une installation de climatisation particulièrement compacte et de lui donner une forme adaptée pour faciliter son implantation. I1 faut d'ailleurs signaler que ces deux derniers avantages technologiques (compacité et adaptation de forme) sont particulièrement intéressants lorsque l'invention est appliquée à la climatisation de véhicules, notamment de véhicules ferroviaires dans cette dernière application, les moyens convertisseurs sont du type complexe (redresseur + hacheur + transformateur + redresseur) et leur refroidissement correspond à une puissance calorifique importante qui est évacuée aisément par l'air ambiant sortant de/ou entrant dans la batterie thermo-électrique, et qui contribue à augmenter de façon bénéfique la température de l'air ambiant à l'entrée de la batterie thermo-électrique, lorsqu-'il s'agit de réchauffer l'air de climatisation. L'invention consiste, mises à part les dispositions dont il vient d'être question, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à des modes de réalisation de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La fig. 1, de ces dessins, est une vue schématique d'une installation de climatisation conforme à un premier mode de réalisation, et montrée dans son fonctionnement pour lequel l'air de climatisation est réchauffé. La fig. 2 montre l'installation de la fig. 1 dans son fonctionnement pour lequel l'air de climatisation est refroidi. La fig. 3-est une vue schématique d'une installation de climatisation conforme à un autre mode de réalisation de llin- vention plus particulièrement étudié pour la climatisation d'un-véhicule ferroviaire, l'installation étant montrée dans son fonctionnement pour lequél l'air de climatisation est réchauffé. La fig. 4 montre l'installatiôn de la fig. 3 dans son fonctionnement pour lequel l'air de climatisation est refroidi. La fig. 5 est une vue schématique d'une installation de climatisation conforme à un autre mode de réalisation de l'invention plus particulièrement étudié pour la climatisation d'un véhicule ferroviaire, l'installation étant montrée aans son fonctionnement pour lequel l'air de climatisation est réchauffé. La fig. 6 montre l'installation de la fig 5 dans son fonctionnement pour lequel l'air de climatisation est refroidi. Les fig. 7 et 8, enfin, montrent des variantes de réalisation des installations montrées respectivement sur les fig. 5 et 3. Sur ces figures, on a, donc représenté schématiquement une installation -de climatisation comportant des batteries thermoélectriques 1. Ces batteries thermo-électriques 1 sont ellesmêmes constituées par l'assemblage de tiroirs (non représentés mais qui peuvent être établis comme indiqué dans la demande de brevet France n" 75 20343 du 27 juin 1975 et son addition n" 76 16076 du 26 mai 1976 déposées au nom du.présent demandeur) obtenus par un empilement d'éléments d'échanges thermiques comprenant un ou plusieurs thermo-éléments, des parois d'échanges thermiques et des surfaces d'échanges. Les parois d'échanges thermiques associées aux surfaces d'échanges correspondantes constituent des échangeurs de chaleur définissant un circuit traversé par l'air ambiant et un circuit traversé par l'air de climatisation, à réchauffer ou à refroidir par rapport à l'air ambiant. Des premiers moyens de ventilation 2 sont prévus pour faire circuler l'air ambiant dans les deux sens, ces premiers moyens de ventilation étant avantageusement agencés pour engendrer un débit, lors du fonctionnement en refroidissement de l'air de climatisation, plus élevé (de tordre de 3 à 7 fois) que le débit lors du fonctionnement en réchauffement de l'air de climatisation. De préférence, ces premiers moyens de ventilation 2 sont constitués par un (ou plusieurs) ventilateur à écoulement axial entrainé par un moteur permettant de le faire tourner - soit à vitesse élevée, dans le sens de l'aspiration (ventila teur assurant le débit élevé lors du fonctionnement en re froidissement de l'air de climatisation), - soit à vitesse faible, dans le sens du refoulement (ventilateur assurant le débit faible lors du fonctionnement en réchauffe ment de l'air de climatisation). Des seconds moyens de ventilation 3 sont prévus pour faire circuler l'air de climatisation vers le local à climatiser 4. De préférence, ces seconds moyens de ventilation 3 sont constitués.par un (ou plusieurs) ventilateur, par exemple du type centrifuge, ce qui permet de mettre à profit le changement de direction inhérent- à ce type de ventilateur. Dans ces conditions, on dispose ces seconds moyens de ventilation 3 à la sortie de la batterie thermo-électrique 1. Des moyens convertisseurs 5 sont prévus pour l'alimentation électrique en basse tension continue de la batterie thermo-électrique 1, ces moyens convertisseurs 5 étant eux-mêmes alimentés par une tension alternative, pseudo-alternative, voire même continue ou pseudo-continue. Ces moyens convertisseurs 5 sont disposés de manière à être baignés par l'écoulement d'air ambiant et à être situés en amont de la batterie thermo-électrique 1 par rapport au sens de circulation de l'air ambiant lorsque l'installation réchauffe l'air de climatisation. Les moyens convertisseurs 5 peuvent être disposés entre la. batterie thermo-électrique 1 et les premiers moyens de ventilation 2 (fig. I et 2 et fig. 3 et 4). Suivant une disposition inverse, les premiers moyens de ventilation 2 sont disposés entre la batterie thermo-électrique 1 et les moyens convertisseurs 5 (fig. 5 et 6). Un dispositif inverseur 6 est prévu entre les moyens convertisseurs 5 et la batterie thermo-électrique 1 pour inverser le sens du courant continu dans les thermo-éléments lorsqu'on passe du fonctionnement en réchauffement de l'air de climatisation au fonctionnement en refroidissement de l'air de climatisation. Les premiers moyens de ventilation 2 sont équipés d'un dispositif commutateur 7 permettant d'assurer, soit un débit d'air ambiant élevé dans un sens donné pour le fonctionnement en refroidissement de l'air de climatisation, soit un débit d'air ambiant élevé dans le sens opposé pour le fonctionnement en réchauffement de l'air de climatisation. Sur les fig. 1 et 2, on a montré une installation de climatisation pour un local 4 (ou plusieurs locaux 4), cette installation comportant une seule batterie thérmo-électrique 1. Une gaine de reprise 8 peut être prévue entre le local à climatiser 4 et la gaine d'amenée 9 de l'air de climatisation dans la batterie thermo-électrique 1. Cette gaine de reprise 8 peut comporter deux dérivations 8a et 8b munies chacune d'une vanne Va et Vb, et permettant d'acheminer une partie de l'air repris dans le local à climatiser 4 dans l'écoulement d'air ambiant. Lorsque l'air de climatisation est réchauffé (fig. 1), la vanne Va de la dérivation 8a est ouverte et la vanne Vb de la dérivation 8b est fermée ; une partie de l'air repris dans le local à climatiser 4 est acheminée dans l'écoulement d'air ambiant avant son entrée dans la batterie thermo-électrique 1. Lorsque l'air de climatisation est refroidi (fig. 2), la vanne Va de la dérivation 8a est fermée et la vanne Vb de la dérivation 8b est ouverte ; une partie de Itair repris dans wle local à climatiser 4 est acheminée dans l'écoulement d'air ambiant avant son entrée dans la batterie thermo-électrique 1. Sur les fig. 3 et 4, on a montré une installation de climatisation pour un local 4 constitué par un véhicule ferroviaire (voiture de voyageurs par exemple du type "Coach"), cette ins-. tallation comportant quatre batteries thermo-électriques 1, dont deux seulement sont montrées sur les fig. 3 et 4 qui ne représentent que la moitié du véhicule. Les deux batteries thermo-électriques 1 de chaque moitié du véhicule sont disposées longitudinalement de part et d'autre de l'axe du véhicule. Les moyens convertisseurs 5 sont disposés axialement entre les deux batteries thermo-électriques 1, et les premiers moyens de ventilation 2 sont disposés axialement, de préférence vers l'extrémité des deux batteries qui est tournée vers l'extrémité de la moitié considérée du véhicule. Pour la circulation de l'air ambiant, il est prévu deux gaines ou bouches latérales 10 (une par batterie) et une gaine centrale 11. Pour la circulation de l'air de climatisation, il est prévu - pour amener l'air de climatisation vers les batteries thermo électriques 1, une gaine de reprise 12 dans le véhicule, et deux gaines latérales -13 d'amenée d'air ambiant (une par batterie), - et, pour distribuer l'air de climatisation à partir des batteries thermo-électriques 1 deux gaines de répartition 14 (une par batterie), disposées latéralement. Sur les fig. 5 et 6, on a montré une installation de climatisation pour un lbcal 4 constitué par un véhicule ferroviaire (voiture de voyageurs par exemple du type "Coach"), cette installation comportant huit batteries thermo-électriques 1 dont quatre seulement sont montrées sur les fig. 5 et 6 qui ne représentent que la moitié du véhicule. Les quatre batteries thermo-électriques 1 de chaque moitié du véhicule sont disposées longitudinalement, par paire, de part et d'autre de l'axe du véhicule, les batteries d'une même paire étant disposées dans le prolongement l'une de l'autre. Les moyens convertisseurs 5 et les premiers moyens de ven tilation 2 sont disposés axialement, de préférence vers l'ex- trémité de batterie qui est tournée vers l'extrémité de la moitié considérée du véhicule. Pour la circulation de l'air ambiant, il est prévu, d'une part, deux gaines ou bouches latérales 15 d'un côté, et deux gaines ou bouches latérales 15 de l'autre côté (soit une par batterie), et, d'autre part, une gaine centrale 16. Pour la circulation de l'air de climatisation, il est prévu, - pour amener l'air de climatisation vers les batteries thermo électriques, une gaine de reprise 17 dans le véhicule et deux gaines latérales 18 d'amenée d'air ambiant (une par paire de batterie), disposées dans le prolongement l'une de l'autre, les batteries d'une même paire se trouvant donc alimentées par leurs extrémités qui se font vis-à-vis, - et, pour distribuer l'air de climatisation à partir des batteries thermo-électriques 1, quatre gaines de répartition 19 (une par batterie) disposées latéralement, et pouvant être reliées entre elles. On a indiqué précédemment que les seconds moyens de venti lation 3 peuvent être disposés à la sortie de la batterie thermo-électrique 1. I1 convient de signaler que ces seconds moyens de ventila tion 3 peuvent également être disposés à l'entrée de la batterie thermo-électrique 1. Cette disposition est particulièrement avantageuse lors qu'on a recours au mode de réalisation de l'invention illustré sur les fig. 5 et 6. Dans ces conditions, et comme montré sur la fig. 7 sur laquelle les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes organes qe sur la fig. 5, les seconds moyens de ventilation 3 sont avantageusement constitués par un ventilateur à deux sorties opposées disposées respectivement en regard des deux extrémités des batteries thermo-électriques 1 d'une même paire qui se font visià-vis. Les flèches F1 et F2 indiquent la circulation de l'air ambiant, respectivement dans le cas d'un réchauffement de l'air de climatisation (fig. 1, 3 et 5) et dans le cas d'un refroi dissement de l'air de climatisation (fig. 2, 4 et 6). Cet air de climatisation circule dans le sens indiqué par les flèches G. On a également indiqué par les flèches H1 et H2 le sens de rotation du ventilateur 2, respectivement dans le cas d'un réchauffement de l'air de climatisation (fig. 1, 3 et 5) et dans le cas d'un refroidissement de l'air de climatisation (fig. 2, 4 et 6). La polarité d'alimentation de la batterie thermo-électrique 1 est indiquée aux bornes A et B de cette batterie. Cette polarité est positive pour la borne A et négative pour la borne B dans le cas du réchauffement de l'air de climatisation (fig.l, 3 et 5), et négative pour la borne A et positive pour la borne B dans le cas d'un refroidissement de l'air de climatisation (fig. 2, 4 et 6). Que l'on fasse appel au mode de réalisation illustré sur les fig. 3 et 4 ou illustré sur les fig. 5 et 6, il est possible et intéressant d'implanter l'installation de climatisation en dessous d'un véhicule ferroviaire. On notera par ailleurs que le mode de réalisation illustré sur les fig. 5 et 6 et selon lequel l'installation comprend huit batteries thermo-électriques est particulièrement avantageux du fait que chaque batterie thermo-électrique présente un rendement élevé en raison de sa faible longueur dans le sens de circulation de l'air de climatisation. On a précédemment indiqué que les moyens convertisseurs 5 pouvaient être situés d'un côté ou de l'autre par rapport aux premiers moyens de ventilation 2. Suivant une variante de l'invention illustrée sur la fig. 8 sur laquelle les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes organes que sur la fig. 3, les moyens convertisseurs 5 sont constitués par deux ensembles 5a et Sb disposés de part et d'autre des premiers moyens de ventilation 2. Généralement, l'un de ces ensembles abrite la partie haute tension et l'autre ensemble abritela partie basse tension. Dans ces conditions l'ensemble haute tension 5a est situé du côté de l'extérieur par rapport aux moyens de ventilation 2 et l'ensemble basse tension 5b est situé du côté de l'intérieur par rapport aux moyens de ventilation 2. Finalement, on dispose d'une installation de climaFisation qui présente un certain nombre d'avantages parmi lesquels on peut indiquer -les suivants - il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens spéciaux pour le refroidissement des moyens convertisseurs, - le rendement de la ou des batteries thermo-électriques est plus élevé que dans le cas d'une installation de- climatisa tion classique pendant les périodes de fonctionnement où l'air de climatisation est réchauffé, - on diminue les risques de givrage dans le circuit parcouru par l'air ambiant pendant les périodes de fonctionnement où l'air de climatisation est réchauffé, - au point de vue constructif, il est possible de réaliser des installations particulièrement compactes et de leur donner une forme adaptée pour faciliter leur implantation. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. Notamment, on a supposé, dans les modes de réalisation décrits, que les batteries thermo-électriques étaient du type à courants croisés. L'invention s'appliquerait, bien entendu, de même, si ces batteries étaient du type à courants parallèles de même sens ou de sens inverse. REVENDICATIONS 1. Installation de climatisation à effet PELTIER, pour le chauffage et la réfrigération d'au moins un local, notamment pour véhicules ferroviaires comportant : au moins une batterie thermo-électrique délimitant un circuit d'air ambiant et un circuit d'air de climatisation (air de climatisation à réchauffer ou à refroidir par rapport à l'air ambiant) ; des premiers moyens de ventilation pour faire circuler l'air- ambiant ; des seconds moyens de ventilation pour faire circuler l'air de climatisation vers son poste d'utilisation (local à climatiser) ; et des moyens convertisseurs pour l'alimentation électrique en basse tension continue de la batterie thermo-électrique, ces moyens convertisseurs étant eux-mêmes alimentés en courant électrique ; les susdits moyens convertisseurs étant disposés de manière à être baignés par l'écoulement d'air ambiant, caractérisée par le fait qu'elle est agencée de sorte que, d'une part ces moyens convertisseurs se trouvent situés en amont de la batterie thermo-électrique par rapport au sens de circulation de l'air ambiant lorsque l'installation réchauffe l'air de climatisation et, d'autre part ces moyens convertisseurs se trouvent situés en aval de la batterie thermo-électrique par rapport au sens de circulation de l'air ambiant lorsque l'installation refroidit l'air de climatisation. 2. Installation de climatisation selon la revendication 1 caractérisée par le fait que les premiers moyens de ventilation sont prévus pour faire circuler 1 'air ambiant dans les deux sens. 3. Installation de climatisation selon la revendication 2 caractérisée par le fait que les premiers moyens de ventilation sont agencés pour engendrer un débits lors du fonctionnement en refroidissement de l'air de climatisation, plus élevé (de l'ordre de trois à sept fois) que le débit lors du fonctionnement en réchauffement de l'air de climatisation. 4. Installation de climatisation selon la revendication 3 caractérisée par le fait que les premiers moyens de ventilation sont constitués par au moins un ventilateur à écoulement axial entravé par un moteur permettant de le faire tourner soit à vitesse élevée, dans le sens de l'aspiration (ventilateur assurant le débit élevé lors du fonctionnement en refroidissement de l'air de climatisation), soit à vitesse faible, dans le sens du refoulement (ventilateur assurant le débit faible lors du fonctionnement en réchauffement de l'air de climatisation). 5. Installation de climatisation selon l'une quelconque des revendications I à 4 caractérisée par le fait que les seconds moyens de ventilation sont constitués par au moins un ventilateur disposé à la sortie de la batterie thermo-électrique. 6. Installation de climatisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée par le fait qu'une gaine de reprise est prévue entre le local à climatiser et la gaine d'amenée de l'air de climatisation dans la batterie thermo-électrique. 7. Installation de climatisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, destinée à la climatisation d'un véhicule ferroviaire, caractérisée par le fait qu' elle comporte plusieurs batteries thermo-électriques disposées de part et d'autre de l'axe du véhicule, les moyens convertisseurs et les premiers moyens de ventilation étant disposés axialement. 8. Installation de climatisation selon la revendication 7 caractérisée par le fait qu'elle comporte des batteries thermo-électriques disposées par -paire dans le prolongement l'une de l'autre et alimentées en air de climatisation par leurs extrémités qui se font vis-à-vis. 9. Installation de climatisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que les moyens convertisseurs sont disposés entre les batteries thèrmo- électriques et les premiers moyens de ventilation. 10. Installation de climatisation selon 1une quelconque des revendications i à 8, caractérisée par le fait que les premiers moyens de ventilation sont disposés entre la batterie thermo-électrique et les moyens convertisseurs. 11. Installation de climatisation selon la revendication 6, caractérisée par le fait que la gaine de reprise comporte deux dérivations munies chacune d'une vanne et permettant d'acheminer une partie de l'air repris dans le local à climatiser dans l'écoulement d'air ambiant. 12. Installation-de climatisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les seconds moyens de ventilation sont constitués par au moins un ventilateur disposé à l'entrée de la batterie thermo-électrique. 13. Installation de climatisation selon la revendication 7 caractérisée par le fait qu'elle comporte plusieurs paires de batteries thermo-électriquesg les batteries d'une même paire étant disposées dans le prolongement l'une de l'autre. 14. Installation de climatisation selon les revendications 12 et 13 caractérisée par le fait que les seconds moyens de ventilation sont constitués par au moins un ventilateur à deux sorties opposées disposées respectivement en regard des deux extrémités des batteries thermo-électriques d'une même paire qui se font vis-à-vis. 15. Installation de climatisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 142 caractérisée par le fait que les moyens convertisseurs sont constitués par deux ensembles disposés de part et d'autre des premiers moyens de ventilation. 16. Installation de climatisation selon la revendication 15 caractérisée par le fait que les deux ensembles constitutifs des moyens convertisseurs abritent, l'unS la partie haute tension et, l'autre, la partie basse tension, et par le fait que l'ensemble haute tension est situé du côté de l'exté- rieur par rapport aux premiers moyens de ventilation et ltensem- ble basse tension est situé du côté intérieur par rapport aux moyens de ventilation.