Brevet FR2410228A1 — publié le 19790622

L'invention a pour objet un absorbeur pour capteur d'énergie solaire, ctest-à-dire un composant de l'appareil qui, du type généralement dénommé "capteur solaire", est utilisé plus particu lièrement pour la production d'eau chaude sanitaire et pour le chauffage de locaux, mais convient à d'autres applications telles que par exemple la production de froid, le pompage de l'eau et la production d'énergie mécanique ou électrique. Il est d'ailleurs précisé que les applications de ce capteur solaire étant multiples, sa description sera ci-après, pour faciliter sa compréhension et pour une plus grande simplicité, faite dans le cas de ses applications essentielles : production d'eau chaude sanitaire et chauffage de locaux, sans qu'il en résulte lâ une limitation de l'étendue de l'invention. La figure 1 du dessin annexé représente schématiquement, en coupe, un capteur solaire du type habituel. A partir de sa face avant, c'est-à-dire de sa face ensoleillée, il est constitué des éléments ci-après - une plaque 1 en matière transparente, par exemple en verre ou en matière plastique; - un absorbeur 2 qui est généralement constitué comme un radiateur plat utilisé en chauffage central à eau et dont la surface dirigée vers le soleil est de couleur sombre,généralement noir mat,cet absorbeur 2 ayant deux fonctions: d'une part, par sa surface absorbante, recevoir,absorber et transmettre l'énergie solaire et, d'autre part,par son corps d'absorbeur,contenir et échauffer un liquide thermique circulant à son intérieur - un isolant thermique 5 destiné à éviter les pertes de chaleur vers l'arrière du capteur; - et un fond 4 servant d'habillage de protection du capteur. Considérant le chauffage solaire d'un réservoir de stockage d'eau destiné au chauffage d'un local ou d'un réservoir d'eau dite "sanitaire", il est habituellement réalisé, comme le montre la figure 2 du dessin annexé, par un capteur solaire A qui, du type décrit ci-dessus, est relié par une tuyauterie 2 à un échangeur 6 situé dans un réservoir 2 d'eau chaude. La circulation de l'eau dans le circuit absorbeur 2 - échangeur 6 s'effectue généralement grâce à une pompe 8 commandée par un régulateur 9. L'installation est complétée par un vase d'expansion 10, par unesoupape de sécurité 12, par un purgeur d'air JI et par un système de remplissage 14. Qu'il s'agissed'une installation de chauffage d'un local ou d'une installation de chauffage d'eau sanitaire, il est nécessaire de prévoir, dans tous les cas, sauf dans les régions à climat équatorial et tropical, des moyens destinés à éviter la détérioration du capteur par le gel qui risque de faire éclater l'absorbeur 2. Ces moyens consistent généralement en le remplissage du circuit, non pas avec de l'eau pure, mais avec de l'eau additionnée d'un produit antigel, ou avec un fluide thermique adéquat.Or les produits antigel et les fluides thermiques connus présentent, par rapport à l'eau, les graves inconvénients ci-après - leur coût élevé rend très onéreux le remplissage de l'installation; - ce coût est accentué par le fait qu'après plusieurs années d'usage il est conseillé-de vidanger l'installation et de la remplir avec un fluide neuf; - leur comportement de solvants vis-à-vis des caoutchoucs et de certaines matières plastiques en font un danger pour les joints couramment utilisés, notamment les joints de pompe; - leur toxicité aggrave le risque de pollution de l'eau sanitaire, en cas par exemple du percement de l'échangeur; - leur forte viscosité et leur faible chaleur spécifique en font d'assez mauvais véhicules de la chaleur absorbée; c'est ainsi que pour une installation donnée il est nécessaire d'augmenter considérablement la puissance de la pompe pour obtenir le même rendement qu'avec un capteur alimenté en eau. Sauf dans le cas de très fortes différences de niveau entre le capteur et le réservoir, ou de très faible teneur en antigel, l'utilisation de la circulation naturelle par thermosiphon dans le circuit absorbeur-échangeur est donc déconseillée, sinon exclue. Pour écarter les inconvénients de l'utilisation des fluides liquides antigel dans les capteurs solaires, on a certes pensé à réaliser leurs absorbeurs, non plus en tôle métallique, mais en matériau suffisamment élasticue pour absorber l'augmentation du volume de l'eau se prenant en glace. L'absorbeur est dans ce cas constitué par exemple en matière plastique; mais il présente alors d'autres inconvénients, parmi lesquels il convient de citer notamment - un vieillissement relativement rapide au soleil; - une mauvaise conductibilité des parois du corps de l'absorbeur; - une irpossibilitk de circulation du fluide par thermosiphon, du fait de la conformation des absorbeurs; - et des caractéristiques dimensionnelles limitées. L'invention remédie à ces inconvénients. Elle a pour objet un absorbeur métallique pour capteur solaire dont l'originalité réside dans la présence, à l'intérieur de cet absorbeur, d'un système capable d'absorber l'augmentation de volume de l'eau lorsquelle se transforme d'eau en glace. Ce système doit bien entendu répondre à certaines conditions, à savoir notamment - être indestructible dans les conditions normales de fonctionnement du capteur; - pouvoir supporter sans déformation les pressions normales de fonctionnement du capteur en période hors gel, et pouvoir ainsi à tout moment intervenir efficacement lorsque l'eau se transforme en glace; - pouvoir se déformer élastiquement lors de la transforma tion de l'eau en glace, avec la certitude qu'au dégel de cette glace il reviendra à son état volumétrique primitif. L'invention sera bien comprise d'ailleurs, et ses avantages ainsi que d'autres caractéristiques ressortiront de la description ci-après donnée en référence au dessin schématique annexé-gui en représente, à titre d'exemples non limitatifs, des formes d'exécution et dans lequel Figure 3 est une vue d'ensemble d'une installation de chauffage solaire destiné au chauffage d'un local ou à la production d'eau chaude sanitaire, conforme à l'invention; Figure 4 est unevue en perspective du corps d'un absorbeur inclus dans cette installation; Figure 5 en est une vue en coupe longitudinale suivant 5-5 de figure 4; Figure 6 est une vue en coupe transversale d'une variante d'exécution de l'absorbeur. L'installation représentée à la figure 3 met en évidence par opposition à la figure 2, la simplification apportée par l'invention tant dans l'application au chauffage de l'eau sanitaire que dans l'application au chauffage des locaux. Dans ce dernier cas, le réservoir 7 placé en partie haute de l'instal ration peut être muni d'un évent pour jouer le rôle de vase d'expansion et de purgeur d'air pour ltensemble de l'installation. Les tuyauteries indiquées par des fièches à droite du réservoir représentent : pour la tuyauterie supérieure, le départ d'eau chaude vers l'installation proprement dite de chauffage des locaux, et pour la tuyauterie inférieure le retour de ce mê2e circuit de chauffage. L'absorbeur représenté aux figures 4 et 5 est du type à échelle tubulaire. Le corps de cet absorbeur est constitué par deux tubes collecteurs JI reliés par des tubes 16 de section inférieure. Ces tubes 15 et 16 comportent, à leur intérieur, des éléments déformables désignés respectivement par 32 et 18. Ces éléments déformables sont constitués par exemple par des bandes ou des boudins en un matériau cellulaire, du genre mousse, ou par des tubes formant chambre à air qui, en matière souple et élastique, sont fermés à leurs extrémités par collage, soudure, bouchage ou autre procédé pour être rigoureusement étanches. Les tubes 92 et 16 étant metalliques et devant être assemblés par soudure ou par brasure, des moyens doivent bien entendu être prévus pour permettre, après fabrication, la mise en place des tubes 32 et 18 à leur intérieur. Ces moyens peuvent consister à introduire les éléments déformables 32 et 18 au travers d'orifices 32 et 20 prévus dans les collecteurs 32 et les tubes 15 et à fermer ensuite ces orifices par des bouchons tels que 21 qui peuvent soit s'adapter directement dans les orifices, soit s'adapter sur des embouts tubulaires 22 prolongeant lesdits orifices. La description ci-dessus est celle d'un corps absorbeur du type à échelle tubulaire, auquel l'invention est avantageusement applicable en raison de l'intérêt de ce type d'absorbeur. Leur nature tubulaire autorise en effet leur fabrication à partir de tubes courants en matéraux variés : acier doux, acier galvanisé, acier inoxydable, cuivre c..,. et elle leur confère une excellente résistance aux pressions élevées obtenues lors de la prise en glace de l'eau; et leur configuration en échelle permet une irrigation homogène de l'absorbeur et, grâce à ses faibles pertes de charge, un fonctionnement en the rmo-siphon. Cet agencement à échelle tubulaire n'est cependant pas impératif; et c'est ainsi que le figure 6 montre un absorbeur constitué comme un radiateur à plaques; i et 24 désignent les deux parois métalliques délimitant des canaux ?5 dans lesquels circule l'eau et à l'intérieur desquels sont placées des bandes 26 constituant l'élément déformable de l'absorbeur. Dans tous les cas : absorbeur à échelle tubulaire, absorbeur à plaques ou autre, il peut être avantageux d'immobiliser les éléments déformables de l'absorbeur, en recourant à des moyens, tels que : collage, fixation mécanique, lestage ...... Quel que soit le type de l'absorbeur : à échelles ou serpentins tubulaires, à plaques ... et quelle que soit la nature des éléments déformables prévus à son intérieur, l'invention, en supprimant la nécessité d'un liquide antigel, apporte les principaux avantages ci-après - possibilité de chauffer directement l'eau du réservoir dans l'absorbeur, comme le montre la figure 3, - possibilité de fonctionnement en thermosiphon, comme le montre aussi la figure 3, - économie dans le prix de l'installation, par suppression des appareils et accessoires habituels visibles à la figure 2, à savoir : échangeur 6, pompe 8, vase d'expansion 10, soupape de sécurité 12, purgeur d'air 3 , système de remplissage 14,... - meilleure fiabilité par suppression des organes précités. En supprimant la nécessité d'un liquide antigel, l'invention appliquée aux chauffe-eau solaires permet ainsi une simplification considérable du chauffe-eau, en même temps qu'une augmentation de son rendement (chauffage direct de l'eau sanitaire) et de sa fiabilité (aucun mécanisme). En effet, l'invention permet le chauffage direct de l'eau sanitaire dans l'absorbeur, traité ou construit en fonction de ce critère, ainsi que la circulation en thermo-siphon du système.Ceci entraîne par rapport au chauffe-eau solaire traditionnel (fig.2) la suppression de l'échangeur 6, de la pompe 8, du régulateur 2, du vase d'expansion 10, de la soupape de sécurité 12, du purgeur 32 et de l'orifice de remplissage 14.Bien entendu, ces suppressions conduisent également à uneréduction importante du prix de revient du chauffe-eau, le surcoût dû à la présence de l'invention au niveau de l'absorbeur représentant seulement 10 % environ du cout des accessoires supprimés. Dans une installation de chauffage solaire de construction, on retrouve habituellement les mêmes éléments que dans le chauffe-eau solaire, mais à une échelle supérieure. C'est ainsi que les schémas utilisés pour la description des chauffe-eau (fig.2 et 3) représentent aussi respectivement les schémas correspondant d'une installation de chauffage solaire sans l'invention (fig. 2) et avec l'invention (fig. 3). Dans ce cas, le ballon d'eau chaude 2 est devenu réservoir de stockage; mais il peut servir, s'il est en point haut de l'installation, de vase d'expansion et de dispositif de purge pour les deux circuits capteur et chauffage. REVE~ND~CATIONS 1.- Absorbeur métallique à eau pour capteur solaire, caractérisé en ce qu'il comporte,à son intérieur, un système capable d'absorber l'augmentation du volume de l'eau lorsqu'elle passe de la phase eau à la phase glace. 2.- Absorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu il consiste en une échelle métallique tubulaire dont les tubes servant de longerons et de collecteurs et les tubes servant de barreaux de raccordement contiennent chacun, sur toute leur longueur, une bande ou un boudin en un matériau élastiquement déformable, par exemple en un matériau cellulaire synthétique. 3.- Absorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en une échelle métallique tubulaire dont les tubes servant de longerons et de collecteurs et les tubes servant de barreaux de raccordement contiennent chacun,sur toute leur longueur, un tube en matière souple qui, fermé à ses deux extrémités, constitue chambre à air. 4.- Absorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en un serpentin métallique contenant une bande ou un boudin en matériau lastiquement déformable, par exemple en un matériau cellulaire synthétique. 5.- Absorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en un serpentin métallique contenant un tube qui, constitué en un matériau souple et fermé à ses deux extrémités, constitue chambre à air. 6.- Absorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par deux plaques de tôle qui, assemblées entre elles suivant des bandes longitudinales, délimitent des canaux à l'intérieur de chacun desquels est placée une bande constituée en un matériau élastiquement déformable. 7.- Absorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce au'il est constitué par deux plaques métalliques, assemblées entre elles par points, et entre lesguelles est placée une plaque en matériau élastiquement déformable, interrompue ou non au droit des points d'assemblage.