Brevet FR2425037A1 — publié le 19791130

La présente invention a pour objet un dhauffe-eau solaire muni d'un volet à commande automatique. Dans certains chauffe-eau solaires, on utilise un capteur plan, dans lequel circule un fluide caloporteur, un échangeur de chaleur et un ballon de stockage d'eau. Le fluide caloporteur chauffé dans le capteur est mis en circulation par thermosiphon, ou par pompe d'accélération, et vient céder sa chaleur à l'eau contenue dans le ballon de stockage. En outre, sont généralement prévus une vanne antiretour, un vase d'expansion et des moyens de chauffage annexes qui sont mis en oeuvre durant les jours de faible ensoleillement. Ces dispositifs présentent l'inconvénient d' être relativement comr.lexes et onéreux. On connaît également des chauffe-eau solaires dans lesquels le capteur fait également office de réservoir de stockage pour l'eau à chauffer. Le chauffe-eau solaire de l'invention est de oe taxe. De tels appareils nécessitent l'utilisation d'un volet afin de réduire les déperditions de chaleur vers l'extérieur par rayonnement et convection, qui peuvent apparaitre pendant les périodes de faible ensoleillement. En général, ce volet est fermé le soir et ouvert le matin, pour éviter les pertes thermiques pendant la nuit. Mais ceci n'est en général pas suffisant et l'on doit pouvoir actionner le volet pendant les périodes diurnes, dans certains cas et notamment en onction de la température de liteau stockée.En effet, à ensoleillement égal et faible, si cette température est élevée (par exemple 600C) le volet doit avantageusement être fermé, alors que si la température est faible (par exem ple 200C) le volet doit être ouvert. Il est donc utile de prévoir rn dispositif d'ouverture et de fermeture automatique du volet qui tienne compte non seulement de l'intensité du rayonnement solaire, mais encore de la température de l'eau stockée. Le -chauff e-eau solaire de la présente invention répond précisément à cette exigence. De façon précise, la présente invention a pour objet un chauffe-eau solaire comprenant un capteur solaire faisant fonction de réservoir de stockage pour l'eau à chauffer, ce capteur étant muni d'un volet permettant d'éviter les pertes thermiques dudit réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour commander automatiquement 1 'ouverture et la fermeture du volet, ces moyens étant constitués par - une enceinte A de faible inertie thermique, isolée thermique ment du réservoir de stockage et exposée au rayonnement solaire, - un moyen pour fermer le volet lorsque la température du réservoir est supérieure à celle de l'enceinte A et pour 1' ouvrir dans le cas contraire. Dans une variante qui semble être la plus avantageuse, le chauffe-eau est caractérisé en ce qu'il comprend une seconde enceinte B, disposée, par rapport au réservoir de stockage, de telle sorte que sa température soit voisine de la température moyenne de l'eau dans le réservoir, cette seconde enceinte étant reliée à la première par un conduit ; les deux enceintes sont partiellement remplies d'un fluide à bas point d'ébullition ; ce fluide est à l'état gazeux dans l'enceinte la plus chaude, et à ltétat liquide dans l'enceinte la plus froide ; la position du volet est alors automatiquement commandée par le jeu du déséquilibre entre les poids respectifs des deux enceintes A et B. Selon un premier mode de réalisation de cette variante, le chauffe-eau solaire est caractérisé en ce que le volet est constitué par une feuille souple passant sur un tambour, la partie avant de cette feuille passant devant le capteur et la partie arrière retombant derrière le ré servir de stockage, l'enceinte A étant suspendue à la partie avant de ladite feuille. Selon un second mode de réalisation, le chaufe-eau solaire est caractérisé en ce que le réservoir de stockage est cylindrique et en ce que le volet est constitué par une coquille cylindrique coaxiale au réservoir et mobile en rotation autour de son axe, Dans ce second mode de réalisation, la coquille peut, soit occuper l'une ou 1' autre de deux positions extre mes., soit être orientée dans une direction intermédiaire quelconque. De toute façon, les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés a titre explicatif ét nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - les figures la et lb représentent, respectivement en vue de face et en vue de coté, un chauffe-eau solaire selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente, en coupe transversale un chauffe-eau solaire selon un second mode de réalisation ;; - la figure 3 représente une vue simplifiée en perspective d'une extrémité du chauffe-eau solaire selon le second mode de réalisation, - la figure 4 représente une coupe longitudinale dudit chauffe-eau solaire, - la figure 5 représente une vue simplifiée en perspective d'un moyen d'orientation d'un volet en fonction de la position du soleil. Le chauffe-eau solaire représenté sur les figures la et lb comprend un réservoir de stockage d'eau 2, un volet ou rideau à commande automatique comprenant une feuille souple 4 qui passe sur un tambour horizontal 6 et tombe derrière le réservoir 2, la partie arrière de cette feuille étant munie d'un lest 7. L'ensemble est disposé dans un caisson 8 isolé thermiquement et muni d'une paroi 10 transparente au visible et opaque à l'infrarouge. Le système de commande automatique du rideau comprend d'une part, une enceinte A, de faible inertie thermique, suspendue à la partie inférieure de la feuille 4 et isolée thermiquement du réservoir 2 et, d'autre part, une enceinte arrière B, en contact thermique intime avec le réservoir de stockage d'eau 2. Les enceintes A et B communiquent par un conduit souple 14. Ces enceintes sont partiellement remplies par un fluide à bas point d'ébullition. Pour permettre éventuellement un fonctionnement en position inclinée par rapport à la verticale, le système comprend en outre un c ble 20 qui sa'enroule autour de poulies 22 et qui assure une tension convenable à la feuille 4. Le chauffe-eau solaire représenté se complète par une entrée d'eau froide 24 et une sortie d'eau chaude 26. tkle résistance chauffante 28 peut etre prévue, reliée. à un circuit d'alimentation 30. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Pendant les périodes d'ensoleillement; l'enceinte A est au moins aussi chaude que le réservoir 2, donc que l'enceinte B. Le fluide à bas point d'ébullition se rassemble donc à l'état liquide dans l'enceinte arrière B, ce qui allège 1 'enceinte avant A : le rideau est levé. En dehors des périodes d'ensolelilement, la température moyenne du réservoir 2 peut devenir supérieure à celle de l'enceinte A. Dans ce cas, le liquide se rassemble dans celle-ci, ce qui a pour effet de provoquer la fermeture du rideau. On observera que la feuille souple 4 retombe derrière le réservoir de stockage 2, ce qui a deux conséquences - la première est que la partie arrière de la feuille parti cipe à l'isolement thermique du réservoir de stockage vfs-à- vis de l'extérieur ; - la seconde est que cette même partie arrière participe à la commande du rideau. En effet, le rideau étant initialement fermé, dès qu'une partie du liquide passe de l'enceinte avant A à l'enceinte arrière B, le rideau se trouve allégé et commence à monter ; il s'ensuit que la partie du rideau qui est située à l'arrière du réservoir s'allonge, ce qui allège d'autant la partie avant. Le mouvement de montée du rideau se trouve donc accéléré jusqu'à ce qu'il vienne en butée sur un moyen non représenté.Un mécanisme analogue se pro duit à la descente du rideau. Le rideau présente donc deux positions stables : l'une complètement relevée et l'autre complètement baissez On observera également que le conduit qui fait commu- niquer les deux réservoirs débouche à la partie la plus basse de chacun d'eux, ce qui permet le transfert du fluide d'un réservoir à l'autre à l'état liquide (et non pas à l'état gazeux), de sorte que la totalité du liquide peut être transférée dès qu'une faible quantité de liquide slest vaporisée dans le réservoir le plus chaud. Cette disposition réduit la quantité de chaleur nécessaire au changement d'état du système et réduit le temps de- réponse. Le circuit 30 d'alimentation de la résistance chauffante peut être enclenché par un rupteur 32 relié à un moyen 34 sensible à la pression qui regne dans 1' enceinte B. Ce moyen peut être par exemple une membrane en communication avec l'enceinte B ; cette membrane agit sur une palette du rupteur 32 et établit un contact lorsque la pression dans l'enceinte B est faible, c' est-à-dire lorsque celle-ci est froide. La source 30 est alors mise en service et la résistance chauffante 28 peut apporter un complément de chaleur. En ce qui concerne les matériaux pouvant être utilisés dans ce premier mode de réalisation de l'invention, on peut donner les précisions suivantes à titre explicatif : le fluide utilisé dans les enceintes A et B peut être tn fréon (fréon il ou 114 B). Pour le fréon CC13F par exemple, on obtient, au nisinage de 300C, tne différence de pression de 100 millibars pour un écart de température de 2 C. Le confît reliant les deux enceintes est de préférence en matière organique souple, par exemple en polychlorure de vinyle. Son diametre intérieur est de l'ordre de 1à quelques millimètres. Le réservoir de stockage d'eau peut être en tole galvanisée et le caisson isolé en résine polyester, sa face arrière 12 pouvant être munie d'une couche de musse ou de laine de verre. Le rideau peut etre constitué par wne feuille de mousse ou de laine de verre. La paroi avant 10 peut être en métacrylate de méthyle (plexiglass) ou en polycarbonate. Le chauffe-eau solaire représenté sur les figures 2, 3 et 4 correspond à un second mode de réalisation dans lequel le réservoir de stockage a eau 40 est cylindrique et le volet en forme de coquille cylindrique 42. Cette coquille est coaxiale au réservoir 40 et mobile en rotation autour de son axe 44. L'ensemble est disposé dans une enceinte comprenant un fond 45 en matériau isolant et une paroi 46 transparente au visible et opaque à l'infrarouge. La coquille 42 est ferwee a l'une de ses extrémités (ou éventuellement aux deux) par un flasque 48. L'ensemble est de préférence monté en position inclinée, l'axe 44 étant sensiblement parallèle à l'axe du monde. Le système de commende de la position de la coquille 42 comprend une enceinte A de faible inertie thermique, isolée thermiquement du réservoir de stockage 4Q et fixée sur le flasque d'extrémité 48 en opposition avec la coquille 42. Lè système comprend en outre une seconde enceinte B, située au voisinage immédiat du réservoir 40 et de forme allongée de telle sorte que les échanges thermiques par rayonnement avec ledit réservoir soient importants et que la température d'équilibre de ladite enceinte B soit proche de la température moyenne de l'eau dans le réservoir 42. L'enceinte B est légèrement écartée du plan de symétrie dé la coquille pour provoquer 7n couple au démarrage suffisant pour vaincre les frottements. Les deux enceintes A et B sont réunies par un conduit rigide 50, par exemple métallique et de faible conductibilité thermique. Les deux enceintes A et B sont, comme dans le mode de réalisation précédent, partiellement remplies d'un fluide à bas point d'ébullition, un fréon par exemple. Leur volume peut etre identique et la quantité de liquide juste suffisante pour remplir 1' une des deux enceintes. Les poids des différents éléments du système sont réglés de telle manière que l'équilibre de la coquille soit indifférent lorsqu'il n'y a pas de fluide vaSorisable dans les deux enceintes De préférence, 1' enceinte A est reliée thermiquement à une bande 52 entourant le flasque 48, cette bande étant en matériau à forte conductibilité thermique, par exemple en métal. Elle est soumise au rayonnement solaire quelle que soit la position de la coquille. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. En période de fort ensoleillement, l'enceinte A est au moins aussi chaude que le réservoir 40 et que l'enceinte B. Le fluide à bas point d'ébullition est rassemblé à l'état liquide dans l'enceinte B et le volet 42 est & s la position "ouvert". Lorsque la température de Liteau contenue dans le réservoir 40 est supérieure à la température de ltenceinte A, ce qui peut se présenter lorsque l'ensoleillement est faible, le liquide se rassemble dans l'enceinte A, ce qui a pour effet de faire basculer la coquille 42 et de fermer le capteur. En ce qui a > ncerne les matériaux utilisables dans ce mode de réalisation, ils sont les memes que dans le mode de réalisation précédent. On peut observer toutefois que le réservoir de stockage de l'eau 40 étant cylindrique sa réalisation s'en trouve facilitée. Eventuellement, les bords longitudinaux 56 de la coquille 42 et 58 du fond 44 peuvent être recouverts d'un dépôt réfléchissant, métallique par exemple, afin de favori s er la collecte du rayonnement solaire. Il peut être souhaitable que la coquille mobile 42 se referme lorsque la température de lleau dans le réservoir de stockage dépasse une valeur prédéterminée (par exemple 800C). Ceci permet l'emploi de matériaux comme le "plexiglass" pour la paroi transparente 46 alors que dans les capteurs habituels on doit employer des produits ayant une meilleure tenue en température donc beaucoup plus chers. En outre, cette fermeture de la coquille évite partiellement l'entre trame A cette fin, le dispositif comprend en contact ther inique avec l'enceinte A, un réservoir 55 contenant un solide fondant à la température souhaitée pour la fermeture (par exemple de la paraffine). Lors d'une période ensoleillée sans prélèvement d'eau, l'eau du réservoir de stockage dépassera 800C, il en sera de ireme pour l'enceinte B. En revanche, les calories apportées à l'enceinte A seront utilisées pour fondre la paraffine dont la chaleur de fusion est d'environ 40 calories par gramme.Le fréon liquide passera dans l'enceinte A refermant ainsi le volet. Il faut me quantité suffisante de paraffine pour réaliser ce palier de température qui se maintient jusqu' à fusion complète de la paraffine Une quantité inférieure à lkg suffit pour maintenir ce palier pendant une journée entière d'ensoleillement, compte tenu des pertes thermiques. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 5, le dispositif comprend encore une coquille cylindrique 60 et deux tubes identiques 62-et 64 communiquant par un conduit rigide 66 de faible conductibilité thermique Ces deux tubes, qui peuvent être metalliques par exemple, sont remplis partiel lement de fluide å bas point d'ébullition. Les bords longitu dinaux de la coquille présentent rne forme de dièdre dlouver- ture angulaire voisine de 900. Le fonctionnement de ce système est le suivant lorsque le soleil test pas dans le plan de symétrie de la coquille 60, les deux tubes 62 et 64 ne reçoivent pas le ineme rayonnement , ils présentent donc un écart de température. Le fluide à faible point d'ébullition se rassemble à l'état liquide dans le tube le plus froid, c'est-à-dire dans le tube le moins éclairé, ce qui a pour effet de faire basculer la coquille 60 jusqu'à ce-qu'un équilibre des températures, donc des éclairements, soit obtenu. La coquille 60 et ses deux tubes 62 et 64 se comportent dbnc comme un orienteur solaire automatique. Dans ce mode de réalisation, le conduit 66 reliant les deux tubes 62 et 64 débouche avantageusement dans la partie basse desdits tubes pour que se soit le liquide qui circule et non la vapeur, ceci afin de diminuer le temps de réponse de l'orienteur. REVENDICATIONS 1. Appareil de réglage de la position d'un volet de chauffe-eau solaire du type qui comprend un capteur solaire faisant fonction de réservoir de stockage pour l'eau à chauffer, un volet permettant d'éviter les pertes thermiques dudit réservoir, et l'appareil de réglage de la position du volet, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens destinés à commander automatiquement l'ouverture et la fermeture de ce volet, ces moyens comprenant une enceinte A de faible inertie thermique, isolée thermiquement par rapport au réservoir de stockage et exposée au rayonnement solaire, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un dispositif conducteur de la chaleur, et une seconde enceinte B disposée par rapport au réservoir de stockage de telle sorte que sa température soit voisine de la température moyenne de l'eau dans le réservoir, cette seconde enceinte étant reliée à la première par un conduit, les deux enceintes étant partiellement remplies d'un fluide à bas point d'ébullition, la position du volet étant commandée automatiquement par le jeu du déséquilibre entre les poids respectifs des deux enceintes A et B. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit reliant les deux enceintes A et B débouche dans chacune d'elles à leur point le plus bas. 3. Appareil selon la revendication 2, destiné à un chauffeeau solaire dont le réservoir de stockage a une forme cylindrique, ledit appareil etant caractérisé en ce que le volet est formé par une coquille cylindrique coaxiale au réservoir et mobile en rotation autour de son axe, la coquille tournant drun angle voisin de 1800 entre ses positions d'ouverture et de fermeture. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'une des extrémités de la coquille est fermée par un flasque circulaire sur lequel est fixée l'enceinte A, en position opposée à la coquille. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif conducteur de la chaleur associé à enceinte A est formé par une bande circulaire entourant le flasque d'extrémité, cette bande étant exposée au rayonnement solaire quelle que soit la position de la coquille. 6. Appareil selon l'une des revendications 4 et 5, carac térisé en ce que la seconde enceinte B est solidaire de la coquille cylindrique et est fixée en position écartée par rapport au plan de symétrie de cette coquille, les deux enceintes A et B étant reliées par un conduit rigide. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 3 a 6, caractérisé en ce que les bords longitudinaux de la coquille sont métalliques. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 a 6, caractérisé en ce que enceinte A est en relation d'échange de chaleur avec un réservoir contenant une matière solide fondant a une température déterminée. 9. Chauffe-eau solaire, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur solaire faisant fonction de réservoir de stockage pour l'eau a chauffer, un volet, et un appareil de réglage de la position du volet selon 1'une quelconque des revendications précédentes.