Brevet FR2484540A1 — publié le 19811218

Le présente invention se rapporte à une installa- tion de chauffage comportant une pompe à chaleur dont le compresseur est entraîné par un moteur à combustion in- terne, la chaleur perdue du moteur étant transmise par l'intermédiaire d'au moins un échangeur de chaleur au fluide caloporteur circulant dans le réseau de chauffage de l'installation, Dans les installations connues, de oe type, l'échanaeur de chaleur est agencé sous la forme d'un élément séparé et in- dépendant et il est relié par des conduites libres au réseau de chauffage et au carter du moteur sur lequel il récupère la chaleur perdue. Etant donné que les installations de chauffage sont fréquemment mises en marche et arrêtées au- tomatiquement plusieurs fois par heure, il est nécessaire d'intercaler des joints compensateurs de dilatation connus (par exemple des tubes élastiques annelés), notamment dans la partie de la conduite, située entre le moteur à combus- tion interne et l'échangeur, pour laisser les dilatations et contractions thermiques multiples se produire alternati- vement dans le réseau de conduites. Par ailleurs, il est nécessaire de prévoir un grand nombre de raccordements dans les conduites qui relient le moteur à combustion interne au circuit de chauffage. Ces installations présentent donc de graves incon- vénients. Tout d'abord, l'acquisition des joints compensa- teurs de dilatation est coûteuse et leur durée utile est limitée. Par ailleurs, on doit prendre grand soin de rendre les nombreux raccordements étanches afin d'éviter que les fluides qui, autrement, pourraient fuir du réseau de chauf- fage ou du moteur ne salissent les locaux, fréquemment la cave des maisons.Finalement, l'entretien et le nettoyage de l'échangeur de chaleur lui-même sont très laborieux et coûteux parce que, pour ces opérations, on doit retirer puis raccorder de nombreuses canalisations. Le but de l'invention est d'éliminer ces inconvé- nients des installations connues.Suivant l'invention, ce problème est résolu par le fait que la partie du carter du moteur à combustion interne sur laquelle la chaleur per- due est récupérée est de forme appropriée pour servir en même temps de logement pour l'échangeur de chaleur. Cette configuration suivant l'invention permet de construire une installation de chauffage qui ne demande que le minimum de conduites libres entre le circuit de chauffage et le moteur à combustion interne. La chaleur perdue qui se présente sur une partie du carter du moteur est transmise pratiquement totalement à l'échangeur de chaleur logé dans cette même partie du carter, de sorte qu'on obtient un grand rendement d'échange de chaleur. Par ailleurs, on n'a à prévoir aucun raccordement libre ni joint compensateur de dilatation entre le moteur et l'échangeur de chaleur de sorte qu'on obtient une construction économique et un fonctionnement favorable à l'environnement. Dans les installations de chauffage, la chaleur des gaz d'échappement du moteur à combustion interne est fréquem- ment utilisée comme chaleur perdue, récupérée et transmise par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur au fluide caloporteur du circuit de chauffage. Dans ce cas, et suivant une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la culasse du moteur, qui comporte le conduit de gaz d'échappe- ment, et le logement de l'échangeur sont réalisés sous la forme d'une seule et même partie du corps du moteur de ma- nière que les gaz d'échappement du moteur passent directe- ment du conduit d'échappement à l'échangeur monté dans la même partie et ne quittent la culasse qu'après avoir par- couru cet échangeur. Cette caractéristique de l'invention peut être mise en oeuvre d'une façon simple lorsqu'on prévoit dans la culasse du moteur à combustion interne au moins un conduit qui entoure l'échangeur de chaleur et dans lequel le fluide caloporteur est envoyé à sa sortie du circuit de chauffage et o il lèche l'échangeur parcouru par les gaz d'échappement. Cette forme de réalisation peut être utilisée indépendamment de la nature du fluide utilisé comme fluide caloporteur dans le circuit de chauffage et également indépendamment de la nature du moteur à combus- tion interne utilisé pour l'entraînement. Dans ce cas, on peut donc utiliser aussi bien un moteur à combustion interne à refroidissement par l'air. L'invention peut être mise en oeuvre sous une autre forme, particulièrement avantageuse, dans les installations utilisant l'eau comme fluide caloporteur et dans le cas des moteurs. combustion interne à refroidissement par l'eau. Dans un tel cas, on doit prévoir dans la culasse du moteur au moins un conduit qui entoure l'échangeur de chaleur et dans lequel l'eau circule et o elle lèche l'échangeur de chaleur, l'eau chauffée est envoyée au circuit de chauf- fage après avoir léché l'échangeur de chaleur. Un autre perfectionnement judicieux de l'invention, qui est d'ordre constructif consiste en ce que l'échangeur de chaleur constitue une unité d'un seul tenant et est monté dans le logement prévu à l'intérieur de la culasse du moteur à combustion interne de manière qu'il puisse être démonté et remplacé de l'extérieur. Dans cette forme de réalisation perfectionnée, le démontage et le remontage de l'échangeur de chaleur qui peuvent être nécessairespour le nettoyage et l'entretien peuvent être exécutés très facile- ment. D'autres caractéristiques de l'invention apparai- tront au cours de la description qui va suivre. Aux des- sins annexés, donnés uniquement a. titre d'exemple: la Fig. 1 représente schématiquement une pompe à. chaleur avec son compresseur et le moteur combustion in- terne qui l'entraîne; la Fig.2 est une vue en partie en coupe longitu- dinale verticale du cylindre et de la culasse du moteur; la Fig.3 est une coupe horizontale de la culasse suivant la ligne A-A de la Fîg.2; la Fig, 4 est une vue en coupe verticale de la culasse, suivant la ligne B-B de la Fig.3. La pompe à chaleur représentée schématiquement sur la Fig.l comprend un compresseur 10 à deux cylindres servant à comprimer le fluide frigorigène dans son circuit, l'arbre d'entrée 10a du compresseur 10 étant entrainé par l'arbre de sortie, c'est-à-dire par le vilebrequin 12a d'un moteur à combustion interne 12 refroidi par l'eau, d'un type de construction connu, par exemple, par un moteur à combustion interne monocylindrique à injection. Dans un évaporateur 14 placé en amont du compresseur 10, le fluide frigorigène li- quide, dont la température est alors d'environ 2 C se vapo-. rise et, dans cette transformation, absorbe la chaleur du milieu qui l'entoure, par exemple, d'une eau souterraine ou de l'air, comme indiqué par la flèche E. La vapeur de flui- de frigorigène est ensuite envoyée au compresseur 10 par une conduite d'aspiration 16. Pendant la phase de compres- sion, la vapeur de fluide frigorigène est comprimée et chauffée pour être ensuite envoyée à un condenseur 20 par u une conduite 18. La vapeur de fluide frigorigène, qui a été portée à environ 60 C dans le compresseur, traverse le condenseur 20 en circulant dans un conduit 20a, cède alors la plus grande partie de sa chaleur et se reliquéfie4 Le fluide frigorigène condensé et refroidi passe par un déten- deur 26, se détend et reprend sa température initiale d'en- viron 2C.. Il revient ensuite à l'évaporateur 14 pour commencer un nouveau circuit dans la pompe à chaleur. L'eau de chauffage usée et refroidie provenant d'une installation de chauffage, par exemple d'un circuit de chauffage central d'habitation 24, traverse'le condenseur dans une conduite séparée 22 et absorbe la chaleur cédée par le fluide frigorigène. Après avoir traversé le conden- seur l'eau de chauffage est envoyée à un raccord 12b pré- vu sur le moteur à combustion interne 12 par o elle est introduite dans le circuit de refroidissement de ce moteur, indiqué en traits mixtes,pour assurer le refroidissement du moteur. A l'extrémité de ce circuit de refroidissement, Il l'eau réchauffée passe dans un échangeur de chaleur sup- plémentaire 28 et est encore chauffée par la chaleur perdue fournie par les gaz d'échappement du moteur. L'eau fortement chauffée est ensuite envoyée à un autre raccord 12c du moteur 12 par lequel elle quitte le circuit de re- froidissement. L'eau fortement chauffée est encoyée par une conduite 30 au circuit de chauffage 24 qui cède la plus grande partie de la chaleur contenue dans l'eau pour les besoins du chauffage de l'habitation, dans le sens indi- qué par la flèche H. Les détails du circuit de refroidissement du moteur 12, et qui est simplement indiqué schématiquement sur la Fig.l, et de l'échangeur de chaleur supplémentaire 28 res- sortent de la description donnée ci-après ainsi que des au- tres figures. La disposition des cylindres et de la culasse du moteur 12 est représentée en coupe. Le cylindre 32 re- çoit une chemise 34 disposée verticalement, dans laquelle est guidée un piston 36. La bielle 38 accouplée au piston attaque le vilebrequin 12a du moteur 12 d'une façon connue. Au cylindre 32 est fixée, au moyen de quatre vis 40, une culasse 42 dans laquelle une soupape d'admission 44, une soupape d'échappement 46 et un injecteur de combustible 48 sont montés d'une façon connue. Chaque soupape est ac- tionnée par un culbuteur 50 correspondant qui est commandé par un mécanisme de distribution non représenté par l'inter- médiaire d'un poussoir, d'une façon également connue.Un cache-culbu- teurs 54 renferme les deux culbuteurs 50 oour les isoler de l'extérieur. L'air comburant est amené à la soupape d'admission 44 par un conduit 42a tandis que les gaz d'échap- pement qui sortent par la soupape d'échappement 46 sont éva- cués par le conduit d'échappement 42b. Le mode de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à injection à. quatre temps du genre décrit est connu et il n'est donc pas nécessaire de l'exposer avec détails. Entre les éléments 32 et 34 est ména5é un étroit espace annulaire 56 qui communique pour la circulation du fluide avec le raccordement d'eau 12a précité, lequel est disposé dans la région inférieure des éléments 32,34. Deux perçages transversaux 58 représentent la communication entre l'espace annulaire 56 et deux perçages 60 dont chacun est ménagé dans une bride latérale 32f de l'élément 32. Pour effectuer le refroidissement du cylindre 32,34 et de la cu- lasse 42, l'eau pénètre de bas en haut dans les espaces 56, et elle passe par deux ouvertures de passage 42d de la culasse 42, dans les conduits de refroidissement 42k ménagés à l'intérieur de la culasse 42. La culasse 42 est de forme appropriée pour servir en même temps de support pour l'échangeur de chaleur 28. Un conduit 42t qui s'étend perpendiculairement à l'axe du cy- lindre et s'étend dans la direction horizontale est limité par les parois tubulaires 42w de la culasse 42 et est réuni à la culasse 42 par des parois intermédiaires 42z pour former avec la culasse un ensemble monobloc. Un conduit de liaison 42v est formé entre les parois 42w et 42z et s'étend paral- lèlement au conduit 42t. Le conduit 42v est en communication pour la circulation du fluide avec le conduit de refroidis- sement 42k par l'intermédiaire d'un passage 42s qui présente la forme d'un conduit et s'étend au-dessous du conduit d'échappement 42b, de sorte que l'eau peut s'écouler du cir- cuit de refroidissement formé à l'intérieur de la culasse 42 dans le conduit de liaison 42v et, de là, par l'orifice 42vv dans le conduit annulaire 42t. La paroi tubulaire 42w de la culasse 42 forme à ses deux extrémités des brides de portée tubulaires 42f dans lesquelles est logé l'échangeur de chaleur 28, Cet échangeur est composé d'un grand nombre de petits tubes minces 28a qui sont maintenus assembles à leurs extrémités dans deux plaques de retenue 28b. De cette façon, l'échangeur de chaleur 28 neut être introduit sous la forme d'une unité d'un seul tenant dans les brides de portée 42f en passant à travers une ouverture latérale 42o ménagée dans la culas- se 42 et qui peut être fermée par un couvercle 62. Le con- duit d'échappement 42b de la culasse 42 débouche au contraire dans une chambre 42bb ménagée entre la-bride de portée- 42f et le couvercle 62 de sorte que les gaz d'échappement chauds qui sortent par la soupape d'échappement 46 passent de la chambre 42bb dans la lumière des petits tubes minces 28a de l'échangeur et ressortent de l'autre côté pour être envoyés, par un conduit d'échappement 64, à. un point de sortie ap- proprié. En parcourant l'échangeur de chaleur 28, c'est-àa-dire les petits tubes 28a de cet échangeur, les gaz d'échappement qui sortent du cylindre avec une température d'environ 400'C cèdent à l'eau qui entoure les petits tubes 28a une grande - partie de leur chaleur qui est constituée par de la chaleur perdue dégagée pendant le processus de combustion, de sorte que, dans le tuyau de sortie 64, les gaz d'échappement ne possèdent plus-qu'une température d'environ 150'C, L'eau for- tement chauffée par les gaz d'échappement sort du conduit 42t par une ouverture 42tt et est conduite par le tuyau de raccordement 12c, au circuit de chauffage -24 dans lequel elle cède sa chaleur pour assurer le chauffage de l'habita- tion d'une façon connue. Les avantages qui résultent de la configuration donnée à. la culasse 42 pour qu'elle serve en même temps de logement pour l'échangeur de chaleur 28 ont déjà été décrits en détail au début. Il suffira donc d'ajouter que, à la dif- férence de l'exemple de réalisation décrit, un carter commun pour la culasse et l'échangeur de chaleur serait encore utili- sable si le fluide caloporteur de l'installation de chauffage et le fluide de refroidissement du moteur à. combustion inter- ne n'étaient pas de même nature (de l'eau). Par ailleurs, l'échangeur de chaleur supplémentaire 28 pourrait de même être intégré en une seule unité avec un élément du corps du moteur autre que la culasse, s'il semblait indiqué, dans certains moteurs., de prélever la chaleur perdue en un autre endroit que dans la culasse et de la céder en cet autre en- droit dans l'échangeur de chaleur supplémentaire. Par exemple, on pourrait envisager de réaliser le carter de vilebrequin du moteur en même temps sous la forme d'un lo- gement d'échangeur de chaleur si la chaleur perdue de l'huile de lubrification chaude collectée dans ce carter devait être transmise par l'intermédiaire de l'échangeur à l'eau de chauffage ou à un autre agent circulant dans l'ins- tallation de chauffage. REVENDICATIONS 1 - Installation de chauffage comportant une pompe à chaleur dont le compresseur est entraîné par un moteur à combustion interne, et dans laquellela chaleur perdue du moteur à combustion interne est transmise au fluide caloporteur circulant dans le circuit de chauffage par l'intermédiaire d'au moins un échangeur de chaleur, carac- térisée en ce que la partie (42) du corps du moteur à combustion interne (12) dans laquelle la chaleur perdue est récupérée est réalisée avec une configuration telle qu'elle serve en même temps de logement pour l'échangeur de chaleur (28). 2 Installation de chauffage suivant la revendi- cation 1, comprenant un moteur à combustion interne dont la chaleur perdue est transmise au fluide caloporteur circulant dans le circuit de chauffage par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur, caractérisée en ce que la culas- se (42) du moteur (12> qui comporte le conduit de gaz d'échappement, et le logement (42f)- recevant l'échangeur de chaleur (28) sont réalisés en une seule pièce du corps du moteur, de telle manière que les gaz d'échappement du moteur soient directement conduits à l'échangeur de chaleur monté dans la même partie du corps du moteur et ne quittent la culasse qu'après avoir parcouru l'échangeur de chaleur. 3 - Installation de chauffage suivant la revendica- tion 2, caractérisée en ce qu'il est prévu dans la culas- se (42) du moteur à combustion interne (12) au moins un conduit (42t) qui entoure l'échangeur de chaleur (28), dans lequel le fluide caloporteur circule en sortant du réseau de chauffage (24) et o ce fluide lèche l'échangeur de chaleur parcouru par les gaz d'échappement. 4 - Installation de chauffage suivant la revendica- tion 2, dans laquelle on utilise de l'eau comme fluide caloporteur dans le circuit de chauffage et qui comporte un moteur à combustion interne à refroidissement par eau, caractérisée en ce qu'il est prévu dans la culasse (42) du moteur à combustion interne (12) au moins un conduit (42t) qui entoure l'échangeur de chaleur (28) et dans lequel l'eau circule et o cette eau lèche l'échangeur de chaleur parcouru dans les gaz d'échappement, l'eau réchauffée étant envoyée au circuit de chauffage (24) après avoir léché l'échangeur de chaleur. 5. Installation de chauffage suivant la revendica- tion 2, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (28) est réalisé sous la forme d'une unité d'un seul tenant et est agencé dans le logement (42f) de la culasse (42) du mo- teur à combustion interne (12), de manière à pouvoir être démonté et remplacé de l'extérieur. 6 - Installation de chauffage suivant la revendica- tion 6, comportant un échangeur de chaleur composé d'un grand nombre de tubes parallèles, ouverts à leurs extrémi- tés et assemblés a ces extrémités dans des supports cir- culaires, caractérisée en ce que, pour chaque support (.28b), il est prévu dans le logement (42f) ménagé dans la culasse (42) du moteur à combustion interne (12) un perçage de por- tée dans lequel le support s'appuie à joint étanche. ê