Brevet FR2435670A1 — publié le 19800404

Laprésente invention concerne un dispositif à pompe de chaleur pour le chauffage de locaux. Le terme "local" doit être pris ici dans un sens très général et s'applique à toute enceinte fermée habitée ou non, fixe ou mobile, et nécessitant un chauffage. On connait des dispositifs à pompe de chaleur qui comprennent un groupe moto-compresseur, pouvant être électrique, associé à un circuit frigorifique dont l'évaporateur emprunte de la chaleur à une source froide et dont le condenseur fournit de la chaleur à une source chaude. Dans l'application envisagée ici, le condenseur constitue un radiateur dissipant la chaleur dans l'air du local, et la source froide est constituée par l'air atmosphérique extérieur ou une masse d'eau qu'il importe peu de refroidir par emprunt de chaleur. Dans les réalisations connues, le compresseur est du type à pistons entraînés par un moteur rotatif. Les dispositifs connus de ce genre présentent des inconvénients importants, qui ont d'ailleurs nui à leur développement. Ainsi, les cycles frigorifiques évoqués imposent des variations importantes à la pression d'admission, la température de la source froide atmosphérique étant amenée à varier dans d'assez larges limites, ce qui interdit d'optimiser le groupe moto-compresseur pour un point de fonctionnement prédéterminé en vue d'obtenir un rendement satisfaisant. En particulier, en cas d'abaissement de la température extérieure, le rapport de pression augmente, ce qui diminue le rendement thermodynamique du cycle dans les conditions où précisément une plus grande efficacité serait désirable, et peut même empêcher le fonctionnement. On a cherché à remédier au moins partiellement à ces inconvénients en utilisant une source froide de température peu variable, par exemple l'air vicié sortant du local, cette solution apportant en outre par elle-meme une économie d'énergie. les conditions à l'admission du compresseur étant ainsi stabilisées, le rendement du compresseur s'en trouve amélioré, mais dans des proportions encore très insuffisantes. Ce rendement est en effet toujours faible sur les compresseurs de type connu évoqués plus haut, en particulier lorsqu'ils présentent une faible puissance unitaire, de sorte que le coefficient d'amplification, ou rapport de la chaleur cédée par le condenseur à l'énergie électrique absorbée par le compresseur, qui est de l'ordre de cinq à sept fois le rendement du compresseur n'atteint la valeur 3 que pour des groupes électrocompresseurs de grande puissance unitaire. Pour les groupes de faible puissance unitaire, le coefficient d'amplification dépasse difficilement la valeur 2, qui ne trouve pas de justification économique. En outre, les petits compresseurs d'un type connu sont relativement à leur puissance, lourds et comateux. On s'explique ainsi que pour des raisons économiques, ce mode de chauffage ne se soit guère développé, même en utilisant des cycles thermodynamiques améliorés comme indiqué plus haut. Un autre inconvénient des électro-compresseurs connus est d'exiger au démarrage une surintensité importante de la source d'énergie électrique, ce qui entrain en général une refonte complète de l'installation électrique. La même raison interdit d'utiliser comme source d'énergie des cellules photovoltaiques, malgré l'davantage économique évident de cette solution. De plus l'énergie délivrée par de telles cellules est très faible au lever et à la tombée du jour, précisément aux heures où un surcroît de chaleur doit être fourni par les installations de chauffage domestique. On a proposé d'autre part des circuits frigorifiques utilisant des compresseurs de gaz à moteur électrique linéaire mais ils ne sont pas parvenus à une réalisation industrielle dans les applications frigorifiques : en effet, les plus performants sont du type synchrone à résonance et leurs performances diminuent considérablement quand ils fonctionnent à des pressions d'admission et d'échappement ou à des tensions différentes des valeurs nominales. Ils sont ainsi mal adaptés à l'application frigorifique où ces pressions varient dans de très larges proportins, ce qui fait varier la fréquence propre d'oscillation de 1' équipage mobile. En toute hypothèse, les électro-compresseurs à moteur linéaire de réfrigération n'ont jamais été industrialisés pour des puissances dépassant quelques dizaines de watts ; or, en matière de chauffage d'habitation individuelle les besoins sont au moins de l'ordre du kilowatt, presque cent fois plus en puissance unitaire. Il apparat donc que le chauffage des locaux par pompe de chaleur a connu jusqu'à maintenant un échec à peu près total, les moyens exposés ci-dessus ayant toujours échoué lorsqu'ils étaient employés seuls. Le but de la présente invention est de réaliser un dispositif de chauffage par pompe de chaleur qui présente un fort coefficient d'amplification, notablement plus élevé que celui des systèmes connus, et un faible coût d'investissement, même pour de faibles puissances unitaires, et dont le fonctionnement ne soit pas affecté par des variations, même importantes, de la température atmosphérique, et puisse s'accomoder d'une source d'énergie à cellules photovoltarques. Suivant l'invention, le dispositif à pompe de chaleur pour le chauffage des locaux comprend un électro-compresseur associé à un circuit frigorifique comprenant lui-même une évaporateur, empruntant de la chaleur à me source froide extérieure et un condenseur apportant de la chaleur à une source chaude constituée par l'air d'un local, et il est caractérisé en ce que l'évaporateur est en contact avec une source froide à température peu variable, et en ce que l'électro-compresseur est du type alternatif à course libre entrainé directement par un moteur électrique linéaire, et dont les paramètres conditionnant la fréquence propre sont déterminés pour obtenir un fonctionnement sensiblement à la résonance dans les conditions de pression d'admission correspondant à la température peu variable de la source froide Le Demandeur a découvert quten combinant les deux moyens d'une source froide à température peu variable et d'un électrocompresseur à moteur linéaire, on obtenait un fonctionnement exempt des défauts rencontrés jusqu'alors. En adaptant spécialement ledit électro-compresseur à cette fonction, on obtint en effet un excellent coefficient d'amplification pour un codt d'installation très faible, en même temps que le fonctionnement n'est nullement compromis par des variations de la température atmosphérique. Ce résultat est d'autant plus surprenant que ces moyens, employés seuls, avaient toujours échoué jusqu'alors et qu'il était impossible de prévoir que leur combinaison constituerait un dispositif efficace. La source froide peut être constituée par une nappe d'eau souterraine ou par un cours d'eau, ou, de préférence par l'air vicié s'échappant du local chauffé si ce dernier est muni d'un dispositif de ventilation. Dans ce dernier cas, la source chaude est constituée par l'air de ventilation introduit dans le local. Suivant une réalisation particulière de l'invention, les paramètres conditionnant la fréquence propre de l'électro-compresseur sont en outre déterminés pour obtenir un fonctionnement sensiblement à la résonance quand l'air atmosphérique est à une température qui correspond à une température hivernale moyenne courante dans la région considérée (par exemple , entre 0 et 1000 pour les régions tempérées). Suivant une réalisation avantageuse de l'invention, ltélectro-compresseur est alimenté en énergie électrique par l'intermédiaire de cellules photo-voltalques, ce qui est d'un intérêt économique considérable, au moment où la fabrication industrielle à bas prix de celles-ci devient faisable, et ce qui est rendu possible par l'utilisation d'un électro-compresseur à moteur linéaire n'exigeant pas de surintensité au démarrage. Suivant une réalisation préférée de l'invention, les paramètres conditionnant la fréquence propre de 1'électrocompresseur sont en outre déterminés pour obtenir un fonctionnement sensiblement à la résonance dans des conditions d'éclairement sensiblement inférieur à l'éclairement maximal. Le fonctionnement de ltélectro-compresseur se trouve donc ainsi favorisé dans les périodes où l'énergie électrique d'origine solaire se trouve diminuée par suite des conditions météorologiques. D'autres particularités de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatifs la figure 1 est une vue semi-schématique en élévation d'un dispositif conforme à l'invention équipant une maison, la figure 2 est une vue en coupe en élévation d'un électrocompresseur faisant partie du dispositif conforme à l'invention, la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 montrant une variante du dispositif conforme à l'invention, la figure 4 est un bloc-diagramme du système d'alimentation électrique de l'électro-compresseur, dans la variante de la figure 3. Bn référence à la figure 1, une maison 1 est munie d'un système de ventilation aspirant l'air extérieur atmosphérique par un groupe moto-ventilateur d'alimentation 2 à travers un filtre 3 et rejetant l'air vicié à l'extérieur par un groupe motoventilateur d'extraction 4 à travers une mitre 5. Dans la maison 1, l'air suit sensiblement le trajet indiqué par les flèches. Un circuit frigorifique 6 comprend un groupe électrocompresseur 7, situé de préférence sur le trajet de l'air entrant et comportant des moyens pour favoriser l'échange thermique entre cet air et lui-meme, un condenseur 8 situé également sur le trajet de l'air entrant, un organe de détente 9, et un évaporateur 11 situé dans une gaine 12 collectant l'air vicié à extraire et débouchant sur la mitre 5. On comprend que l'air atmosphérique aspiré à l'extérieur par le groupe 2 s'échauffe en traversant le condenseur 8 avant de se répandre dans les pièces de la maison 1. L'air vicié relativement chaud aspiré par le groupe d'extraction 4 cède une partie de sa chaleur sensible à l'évaporateur 11 avant d'être rejeté à l'atmosphère par la mitre 5. L'air entrant subit un échauffement complémentaire en coopérant au refroidissement de l'électro-moteur 7. Des résistances électriques d'appoint sont prévues, telles que la résistance 13, avantageusement incorporée au filtre 3, et la résistance 14. L'électro-compresseur 7 est du type à moteur linéaire et à course libre, de préférence à commutation électronique. Il est avantageusement du type décrit dans les brevets français n 1 472 032 et 1 472 988. En référence à la figure 2, il comprend une enceinte hermétique 15 contenant un corps de cylindre 16 sur lequel est fixée une culasse 17 comprenant des orifices d'admission 18 munis de clapets non représentés d'un type connu. Le corps de cylindre 16 porte encore une armature magnétique fixe 19 entourée d'un bobinage d'excitation 21 et ménageant un entrefer 22. Un équipage mobile 23 comprend cylindre creux 24 coopérant avec le corps de cylindre 16 pour former chambre de compression. Le cylindre 24 est solidaire d'une palette magnétique de même diamètre 25/montée à coulissement sur une tige 26 vissée dans un étrier 27 fixé à l'armature magnétique fixe 19, et bloquée dans une position prédéterminée par un contre-écrou 27a. Â l'intérieur du piston 24 est logé un ressort 28 comprimé entre d'une part le fond du piston 24 et d'autre part une coupelle 29 prenant appui sur l'extrémité de la tige 26. Une lumière d'échappement 18a est ménagée dans la surface latérale du cylindre et comporte un clapet taré non figuré. On donnera plus loin quelques précisions sur la disposition de cette lumière. Une impulsion électrique, obtenue de préférence par commutation électronique, est envoyée dans les bobinages 21 et excite l'armature fixe 19 qui attire la palette 26 dans l'entrefer 22 en entraînant le piston 24 vers le bas de la figure, ce qui provoque l'admission du fluide frigorifique par les orifices 18. L'impulsion cessant, le ressort 28 ramène le piston 24 vers le haut, provoquant la compression dudit fluide, puis son évacuation par la lumière 18a. Quand le piston 24 a dépassé cette lumière, le volume résiduel de la chambre de compression constitue un espace mort formant matelas-ressort dont la détente, au cours du cycle suivant, contribue à assurer le retour du piston. L'angle de phase des déplacements du piston avec les impulsions électriques périodiques de commande dépendu la fréquence propre de l'équipage mobile 23. Et cette fréquence propre dépend d'un certain nombre de paramètresqui sont notamment la masse de cet équipage, la raideur du ressort 28, la valeur des pressions à l'admission et à l'échappement et la hauteur de matelas-ressort, elle-meme conditionnée par ltemplacement de la lumière d'échappement isba. Il est à la portée de l'homme de l'art, en fonction de considérations mécaniques et thermodynamiques connues, de déterminer cet emplacement pour obtenir, les autres paramètres étant supposés déterminés, un angle de phase optimal, qui correspond de préférence à la résonance. les seuls paramètres susceptibles a priori de varier de façon imprévue sont les pressions d'aspiration et de refoulement du compresseur. Or, c'est précisément une des caractéristiques essentielles de l'invention d'avoir choisi une source froide à température sensiblement constante, puisque c1 est la température de conditionnement de la maison 1, ce qui maintient une pression sensiblement constante à l'aspiration. Quant à la pression de refoulement, elle peut varier dans des limites conditionnées par les variations prévisibles de la température atmosphérique hivernale. Dans les régions tempérées, on peut, par exemple déterminer une réalisation optimale de ltélectro-compresseur pour une température de 5CC + 50C. En cas de froid excessif persistant, on peut mettre en service les résistances électriques d'appoint 13 et 14. Et le préchauffage par la résistance 13 permet de ramener le point de fonctionnement du compresseur plus près de sa valeur optimale. Il faut d'ailleurs remarquer que, si une baisse, même importante, de la température atmosphérique peut, en abaissant la pression de refoulement, dégrader quelque peu le rendement du compresseur proprement dit, en revanche cette baisse de pression améliore le rendement thermodynamique du cycle frigorifique, contrairement à ce que l'on observe dans les installations frigorifiques connues. Ces considérations peuvent constituer une tentative d'explication de l'excellent résultat a priori surprenant obtenu par la combinaison de deux moyens qui, utilisés séparément, avaient toujours échoué jusqu'alors. Outre l'excellent rendement de l'électro-compresseur, qui procure un coefficient multiplicateur élevé, il est important de noter la grande simplicité de ce compresseur et le fait que, n'exigeant pas de surintensité au démarrage, il ne requiert aucune refonte de l'installation électrique existante, ce qui conduit à des dépenses d'investissement peu élevées. On va maintenant écrire, en référence à la figure 3, une seconde réalisation de l'invention. Une maison 41 comprend un circuit de ventilation analogue à celui de la figure 1, provoquant une circulation de l'air suivant les nèchesO Un ensemble monobloc 42, qui peut avantageusement être entièrement préfabriqué, contient un circuit frigorifique analogue au circuit 6 et des moto-ventilateurs analogues aux moto-ventilateurs 2 et 4. Sur le toit 43 de la maison 41 sont disposés des panneaux à cellules photo voltarques 44, dont certains au moins 44a sont inclinables à volonté en fonction de la hauteur du soleil. Ces panneaux sont reliés électriquement bloc 42 pour assurer son alimentation électrique par l'intermédiaire d'une batterie d'accumulateurs 45 et d'un dispositif d'alimentation qu'on décrira plus loin. On réalise ainsi le chauffage de la maison sans faire appel à aucune source d'énergie possible. Et ce mode de fonctionnement ne peut être obtenu qu'avec le dispositif conforme à l'invention. En effet, un électro-compresseur classique exige, à chaque démarrage une intensité de courant égale à quatre fois et demi sa valeur nominale. Il faudrait donc surdimensionner les panneaux de cellules dans le rapport de 4,5 à 1, ce qui conduit à des dépenses dtinvestissement prohibitives, sans m8me tenir compte de l'éclairement plus faible du matin et du soir. Au surplus, cet électrocompresseur classique ne pourrait même pas fonctionner dans ces conditions. Au contraire, le dispositif conforme à l'invention démarre sans surintensité, donc sans avoir à surdimensionner les panneaux de cellules, même aux heures de faible éclairement. Si lton tient compte en outre de l'amélioration de rendement présentée par le compresseur, on arrive à une réduction de surface des panneaux dans un rapport approximatif de 6 à 1 par rSExrt aux solutions connues. Enfin en cas de baisse de luminosité, la courbe libre de l'électro-compresseur s'adapte automatiquement à ces nouvelles conditions. Dans le cas d'une alimentation par cellules photo voltarques, il est avantageux d'optimiser le fonctionnement de l1électro-compresseur pour une alimentation électrique correspondant à un éclairement inférieur à l'éclairement maximal. Cette optimisation, qui consiste, comme il a été dit plus haut, à adapter la fréquence propre de l'équipage mobile 23, peut s'obtenir en-jouant sur un paramètre restant libre, par exemple la tension initiale du ressort 28 en réglant la position de la tige 26. Un tel choix du point de fonctionnement optimal atténue de toute évidence les variations de performances de l'électrocompresseur en fonction des variations d'éclairement. On va maintenant décrire un exemple de dispositif d'alimentation électrique de groupe électro-compresseur. Sur la figure 4, on a représenté schématiquement un certain nombre de panneaux de cellules photovoltaques 44. Le nombre de ces panneaux peut être variable suivant la puissance de l'installation. Ces panneaux sont reliés à un coupleur 46 qui permet de les connecter en série ou en parallèle pour alimenter la batterie d'accumulateurs 45 dont la charge est contrôlée par un contrôleur 47. La batterie 45 est reliée à l'alimentation d'un certain nombre d'électro-compresseurs 7, variable suivant l'installation, par l'intermédiaire d'un commutateur de puissance 48 commandé par un générateur de fréquence constante 49 et d'un interrupteur multiple 51 commandé par le contrôleur 47. En fonctionnement, le coupleur 46 reçoit des informations de tension provenant d'une part des panneaux 44 et d'autre part du contrôleur de batterie 47, et il optimise en fonction de ces informations le couplage série-parallele des panneaux 44, afin d'obtenir la meilleure intégration temporelle de l'énergie électrique qui dépend à la fois de l'éclairement et de l'état de charge de la batterie 45. En outre, le contrôleur 47 agit sur le commutateur multiple 51 pour adapter le nombre d'électrocompresseurs 7 à mettre en service à la puissance disponible aux bornes de la batterie, compte-tenu d'un critère de taux de fonctionnement prédéterminé. Bien entendu l'invention ne se limite pas aux exemples décrits et l'on pourrait concevoir de nombreuses variantes à la portée de l'homme de l'art sons sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Dispositif 'a pompe de chaleur pourle chauffage des locaux, comprenant un électro-compresseur associé à un circuit frigorifique comprenant lui-même un évaporateur empruntant de la chaleur à une source froide extérieure et un condenseur apportant de la chaleur à une source chaude constituée par l'air d'un local, caractérisé par la combinaison d'un cycle de pompe à chaleur dont l'évaporteur est en contact avec une source froide à température peu variable avec un électro-compresseur du type alternatif à course libre entrainé directement par un moteur électrique linéaire, dont les paramètres conditionnant la fréquence propre (tels que, notamment, le diamètre du piston, le diamètre du noyau magnétique, la raideur du ressort, la masse de l'équipage mobile,etc.) sont déterminés pour obtenir un fonctionnement sensiblement à la résonance dans les conditions de pression d'admission correspondant à la température peu variable de la source froide du cycle précité. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est aménagé pour coopérer avec une source froide constituée par une nappe d'eau souterraine. 3. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est aménagé pour coopérer avec une source froide constituée par un cours d'eau. 4. Dispositif conforme à la revendication 1, destiné à chauffer un local comportant un système de ventilation, caractérisé en ce qutil est aménagé pour coopérer avec une source froide constituée par l'air vicié extrait du local 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est aménagé pour coopérer avec une source chaude constituée par l'air de ventilation introduit dans le local. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une résistance électrique d'appoint pour contribuer à ltéchauffement de l'air de ventilation introduit dans le local. 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins des résistances électriques dtappoint sont situées en amont du condenseur du circuit frigorifique sur le circuit d'air de ventilation. 8. Dispositif conforme à ltune des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu;il comprend des moyens pour transmettre la chaleur produite par son fonctionnement à l'air de ventilation introduit dans le local. 9. Dispositif conforme à l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les paramètres conditionnant la fréquence propre de l'électro-compresseur sont en outre déterminés pour obtenir un fonctionnement sensiblement à la résonance quand l'air atmosphérique est à une température comprise entre OOC et +100C. 10. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des cellules photovoltaïques pour alimenter l'électro-compresseur en énergie électrique et des moyens pour hacher le courant continu interposé entre lesdites cellules et l'électro-compresseur. 11. Dispositif conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que les paramètres conditionnant la fréquence propre de ltélectro-compresseur sont en outre déterminés pour obtenir un fonctionnement sensiblement à la résonance dans des conditions d'éclairement des cellules sensiblement inférieur à l'éclairement maximal. 12. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'électro-eompresseur comprend une palette magnétique sensiblement cylindrique et de même diamètre que le piston.