Brevet FR2477688A1 — publié le 19810911

Perfectionnements apportés aux appareils de climatisation à fonctionnement autonome La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux appareils de climatisation pour refroidir ou réchauffer un volume d'utilisation relativement grand et destiné à fonctionner de manière autonome dans une ambiance à température différente (respectivement plus chaude ou plus froide) de celle du volume d'utilisation. Certains produits -(tels que par exemple des médicaments ou des vaccins) doivent etre conservés à une température déterminée jusqu'à leur utilisation, et ce aussi bien au cours de leur stockage que de leur transport pour les amener sur le lieu meme d'utilisation. Ces conditions de conservation peuvent se traduire par la nécessité de produire du froid lorsque la température ambiante est élevée (cas des régions équatoriales par exemple) ou, au contraire, de produire du chaud lorsque la température ambiante est trop basse (cas des régions polaires par exemple). On a déjà réalisé des appareils ayant un volume d'utilisation relativement important (c'est-à-dire de l'ordre d'une centaine ou de quelques centaines de litres), donc facilement embarquables à bord d'un véhicule automobile léger. Toutefois, ces appareils étaient équipés d'un moteur à combustion interne, qui les rendait plus lourds et plus encombrants, polluants et surtout peu économiques, aussi bien en raison du coût du carburant nécessaire à leur fonctionnement qu'en raison d'une mauvaise isolation thermique qui accroissait encore plus leur consommation, et donc leur coût d'utilisation. L'invention a essentiellement pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un appareil de réfrigération à fonctionnement autonome ayant une isolation renforcée diminuant les échanges thermiques avec l'extérieur de manière qu'une source d'énergie autonome de faible puissance puisse etre utilisée. L'invention a également pour but de faire en sorte que, tout en utilisant une source d'énergie autonome de faible puissance, le volume d'utilisation de l'appareil soit suffisamment grand pour contenir une quantité notable de produits à maintenir à une température déterminée, et ce aussi bien pour le stockage desdits produits dans un endroit où aucune source d'énergie appropriée (électrique entre autres) n'est disponible, que, et surtout, pour le transport de ces produits à l'aide de véhicules automobiles légers. A ces fins, l'appareil de climatisation de l'invention comprend en combinaison - deux enceintes fermées, l'une entourant l'autre pour délimiter une capacité dans laquelle un vide est établi, - une pluralité de cellules à effet Peltier comportant chacune au moins un organe d'échange thermique externe disposé sur la face externe de l'enceinte externe, au moins un organe d'échange thermique interne disposé sur la face interne de l'enceinte interne, et au moins un thermo-élément interposé entre les susdits organes d'é change thermique externe et interne, - et un générateur de courant électrique continu à fonc tionnement autonome pour alimenter le thermo-élément en courant continu avec une polarité telle que l'échangeur thermique externe soit un échangeur thermique chaud et que l'échangeur thermique interne soit un échangeur thermique froid (refroidissement du volume d'utilisa tion) ou inversement telle que l'échangeur thermique externe soit un échangeur thermique froid et que I'éJ changeur thermiqué interne soit un échangeur thermique chaud (réchauffage du volume d'utilisation). C'est la combinaison de ces différentes caractéristiques qui permet d'obtenir un appareil répondant parfaitement aux conditions d'utilisation pour lesquelles il a été conçu. En effet, le recours à des cellules à effet Peltier est particulièrement intéressant en raison de leur relativement faible consommation d'énergie, qui autorise l'emploi, pqur les alimenter1 d'un générateur autonome de puissance limitée. Par ailleurs1 les deux enceintes fermées, délimitant entre elles une capacité dans laquelle est établi un vide relatif, réduisent à un minimum les pertes thermiques par convection et par conduction, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas d'une association avec des cellules à effet Peltier en raison du mauvais rendement de celles-ci. Compte tenu de ces dispositions structurelles particulières et en ayant recours à un nombre approprié de cellules à effet Peltier, il est possible, comme on le souhaite, de réaliser un appareil possédant un volume dluti- lisation relativement grand (par exemple d'une centaine ou de quelques centaines de litres), ce qui n'était pas réalisable jusqu'à présent sans avoir recours à un générateur électrique entrainé par un moteur à combustion interne. Pour assurer une autonomie totale de l'alimentation en énergie de l'appareil, on prévoit avantageusement que le générateur électrique est constitué par un ensemble de photopiles. Pour assurer toutefois la continuité du refroidissement ou du chauffage et réduire à un minimum les variations de température dans le volume d'utilisation en dehors des périodes de fonctionnement des photopiles, on prévoit de disposer, à l'intérieur de l'enceinte interne, un accumulateur thermique pour diffuser du froid (refroidissement du volume d'utilisation) ou de la chaleur (réchauffage du volume d'utilisation) lorsque les photopiles ne sont pas exposées à un flux lumineux (périodes nocturnes). Compte tenu de la bonne isolation thermique de l'appareil et de la puissance relativement faible (de l'ordre de quelques dizaines de watts) nécessaire à son fonctionnement, le recours à des photopiles se révèle extrêmement intéressant du fait que, en combinaison avec l'accumulateur thermique, elles assurent l'autonomie totale de l'appareil, aussi bien en ce qui concerne la source énergétique (flux lumineux) qu'en ce qui concerne la maintenance qui est minime. En outre, il est facile d'adjoindre à l'appareil des volets déployables, et éventuellement orientables, portant les photopiles dans le cas d'une utilisation statique, ou bien,dans le cas d'un appareil embarqué à bord d'un véhicule, de disposer les photopiles sur le toit du véhicule lui-même. Lorsque les photopiles ne sont pas en fonctionnement, il risque de se produire un échange thermique notable de l'intérieur de l'appareil vu l'ambiance extérieure par l'intermédiaire du pont thermique formé par les éléments thermiquement conducteurs du système de climatisation (radiateurs, thermo-éléments, entretoises métalliques). Dans ce cas, la réserve-thermique, constituée par l'accumulateur thermique, se révélera insuffisante pour maintenir la température souhaitée pendant une période relativement longue (par exemple pendant toute une nuit). Pour pallier cet inconvénient, on prévoit de disposer, entre l'organe d'échange thermique interne et les thermoéléments, un élément thermiquement conducteur constitué sous forme d'un organe d'échange thermique unidirectionnel agencé pour autoriser les échanges thermiques depuis le volume d'utilisation vers llambiance extérieure, mais-pour interdire les échanges thermiques en sens inverse. Avantageusement, cet organe comprend une chambre délimitée notamment par une première paroi thermiquement conductrice en-contact thermique avec l'un des organes d'échange thermique et par une deuxième paroi thermiquement conductrice en contact thermique avec la face correspondante des thermo-éléments, deux autres parois thermiquement isolantes étant prévues entre les susdites première et deuxième parois pour fermer la chambre, une réserve de liquide à point de vaporisation choisi en fonction des conditions de fonctionnement de l'appareil, et une couche d'un matériau absorbant ledit liquide disposée sur la face tournée vers l'intérieur de la chambre de celle des susdites première et deuxième parois de la chambre qui est plus chaude que l'autre. Un aspect particulier de l'invention porte sur un appareil réfrigérateur possédant un volume utile relati vement grand et destiné à fonctionner de manière autonome dans une ambiance à température relativement élevée, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison - deux enceintes fermées, l'une entourant l'autre pour délimiter une capacité dans laquelle un vide est établi, - une pluralité de cellules à effet Peltier comportant chacune au moins un organe d'échange thermique chaud disposé sur la face externe de l'enceinte externe, au moins un organe d'échange thermique froid disposé sur la face interne de l'enceinte interne, et au moins un thermoélément interposé entre les susdits organes d'échange thermique chaud et froid, - et un ensemble de photopiles relié électriquement aux thermo-éléments pour alimenter ceux-ci en courant continu. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de certains de ses modes de réalisation donnés à titre d'exemples illustratifs, mais nullement limitatifs . Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels La fig. 1 représente, de façon très schématique, un appareil conforme à l'invention. La fig. 2 est une vue en coupe d'une partie de l'appareil de la fig. 1. La fig. 3 est une vue en coupe d'un élément incorporable dans la partie de l'appareil montrée à la fig. 2. En se référant tout d'abord aux fig. 1 et 2, on va maintenant décrire un appareil réfrigérateur agencé conformément à l'invention, car c'est dans ce cas que l'invention semble devoir trouver ses applications les plus intéressantes, étant bien entendu qu'elle n'est pas limitée à ce seul type d'appareils et qu'elle englobe également des appareils générateurs de chaleur par rapport à l'ambiance. L'appareil réfrigérateur 1 comprend deux enceintes, une enceinte externe 2 et une enceinte 3 intérieure à l'enceinte 2, fermées (la porte d'accès n'a pas été représentée), et maintenues écartées l'une de l'autre par des entretoises 4. Les deux enceintes 2,3 et les entretoises 4 sont constituées en un matériau ther miquement isolant, et, de préférence, moulable pour autoriser la fabrication des deux enceintes selon des techniques simples connues. Eventuellement, une enveloppe métallique (non re présentée) peut être prévue pour protéger l'enceinte exk terne 2 contre les chocs et les coups. Les enceintes 2 et 3 délimitent entre elles une cavité 5, dans laquelle on réalise un vide. Pour des questions de résistance mécanique des enceintes 2 et 3 et pour simplifier la maintenance de l'appareil, il n'est pas nécessaire que ce vide soit très poussé et un vide de l'ordre de î0-2Torr convient parfaitement pour réduire à un minimum acceptable les pertes thermiques par conduction et convection dans la cavité 5. Dans deux surfaces latérales opposes sont prévus des dispositifs de refroidissement à effet Peltier 6 reliés par des fils conducteurs 7 à des photopiles 8, éven- tuellement par l'intermédiaire d'un dispositif régulateur (non représenté). La fig. 2 représente à plus grande échelle et en détail un des dispositifs de refroidissement 6! en l'occurrence celui de droite sur la fig. 1. Le dispositif 6 comprend un radiateur chaud 9 extérieur à l'enceinte externe 2, et un radiateur froid 10 intérieur à l'enceinte interne 3, ces deux ra diateurs étant constitués en matériau thermiquement bon conducteur tel que l'aluminium. Entre les faces en regard des radiateurs 9 et 10, se trouvent des thermo éléments Il et une entretoise métallique 12, par exemple en aluminium, rendue solidaire, par exemple par sertissage, de l'entretoise 12, les thermo-éléments 11 et au moins une partie de l'entretoise 12 étant disposés dans un évidement 13 pratiqué dans la double paroi 2,3 de l'appareil. Des moyens de serrage, tels que des boulons 14, cons titués en un matériau isolant (par exemple matière plas tique) assurent une liaison mécanique entre le radiateur 9 et l'entretoise 12 et permettent de serrer à force les thermo-éléments 11 entre les faces en regard de ces deux pieces. Des cales 15, 16, par exemple annulaires, sont interposées entre les radiateurs 9, 10 et les parois 2,3 respectivement pour maintenir le dispositif 6 par rapport auxdites parois, d'une part, et assurer l'étanchéité thermique de la traversée de la double paroi, d'autre part. Par ailleurs, des moyens de liaison électrique constitués par des fils conducteurs 7 relient les thermoéléments 1l à une source de courant continu , en l'occur- rence les photopiles 8, avec des polarités appropriées. On peut, par exemple, prévoir une traversée étanche du radiateur 9 pour les fils 7. Enfin, on prévoit à l'intérieur de l'enceinte interne 3 un réservoir 17 pour un liquide eutectique approprié (notamment pour ce qui concerne sa composition et son volume) aux conditions de fonctionnement de l'appareil. Ce liquide joue le rôle de tampon, c'est-à-dire qu'il absorbe des frigories lorsque le dispositif de refroidissement 6 est en fonctionnement (période diurne) et qu'il-restitue lesdites frigories lorsque le dispositif de refroidissement n'est plus en fonctionnement (période nocturne) et que la température intérieure de l'enceinte 3 tend à augmenter. L'adjonction d'un tel tampon thermique se révèle particulièrement intéressante car, malgré la discontinuité de fonctionnement du dispositif de refroidissement au cours d'une journée complète, il assure le maintien d'une température déterminée, avec une bonne approximation, à l'intérieur de l'enceinte 3. De façon avantageuse, le réservoir 17 est réalisé d'une seule pièce avec le radiateur froid 10. On notera que, lorsque les thermo-éléments 11 ne sont pas alimentés en courant continu (par exemple période nocturne), les pièces métalliques constitutives du dispositif de refroidissement 6 forment un pont thermique qui favorisent l'évacuation des frigories de l'intérieur de l'enceinte 3 vers l'extérieur, et favorisent donc un réchauffement du volume d'utilisation de l'appareil, lequel réchauffement est, bien entendu, d'autant plus rapide que la différence de température entre l'intérieur de l'enceinte 3 et ltextérieur est plus importante. Pour écarter cet inconvénient, on peut envisager de remplacer l'entretoise métallique 12 par un organe d t échange thermique unidirectionnel 18, représenté à la fig. 3,agencé pour autoriser les échanges thermiques depuis l'intérieur de l'enceinte 3 vers l'extérieur,mais pour interdire les échanges thermiques en sens inverse. L'organe 18 est constitué sous forme d'une chambre 19 hermétiquement close délimitée par deux parois métalliques 20, 21 (par exemple en aluminium) se faisant face et par quatre parois en un matériau thermiquement isolant (qui peut, par exemple, être le même que celui constitutif des enceintes 2 et 3). La paroi 20 est en contact thermique avec le radiateur froid 10, tandis que la paroi 21 est en contact thermique avec les thermo-éléments 11. Sur la face intérieure de la paroi 20 est déposé un revêtement 22 d'un matériau absorbant (matériau capill2irc). Dans la chambre 19 est prévue une certaine quantité d'un liquide à point de vaporisation choisi en fonction des conditions de fonctionnement de l'appareil réfrigérateur, et tel que la chambre contienne du gaz sous pression, avec une phase liquide 23 et une phase gazeuse. Une épaisseur de matériau isolant 24a est prévue le long de la paroi 21 pour isoler celle-ci du liquide 23. Au-dessus du niveau de la phase liquide, on peut prém voir un plateau 24, en matériau thermiquement isolant, évent tuellement percé de trous 25, évitant les projections de li quide sur les parois 20, 21. On notera que le plateau 24 est fixé aux parois latérales isolantes de la chambre, mais qu'il n'est pas en contact avec la paroi 20 pour laisser un espace libre 26 dans lequel est engagé le revêtement absorbant.22, de telle manière que la partie inférieure de celui-ci baigne dans le liquide 23. Le fonctionnement de l'organe 18 d'échange thermique unidirectionnel est le suivant. Lorsque lesthermo-éléments 11 sont alimentés en courant continu, la face interne des thermo-éléments (face qui fournit le froid) -est plus froide que le volume d'utilisation, donc que le radiateur froid 10. De ce fait, la paroi 21 de l'organe 18 est plus froide que la paroi 20. Dans la chambre 19, du liquide 23 est absorbé par capillarité par le revêtement absorbant 22 et remonte donc le long de la paroi 20, qui est la plus chaude, de façon relative. En choisissant un liquide à point de vaporisation approprié, le liquide 23 se vaporise au contact de la paroi 20, puis, par convection, les vapeurs viennent au contact de la paroi 21, qui est plus froide les vapeurs s'y condensent et s'écoulent vers la masse liquide 23. Compte tenu du fait que les processus de vaporisation et de condensation sont respectivement endothermique et exothermique,on peut considérer que le cycle qui vient d'être décrit s'accompagne d'un prélèvement de calories sur la paroi 20 et d'une fourniture de calories à la paroi 21. Autrement dit, il y a refroidissement de la paroi 20 (et donc du volume d'utilisation par l'intermédiaire du radiateur lo) et réchauffement de la paroi 21. Par contre, lorsque les thermo-éléments 11 ne sont pas alimentés, la paroi 21 est portée pratiquement à la température extérieure et est donc plus chaude que la paroi 20 qui est au contact du volume d'utilisation refroidi par l'accumulateur thermique 17. Le liquide absorbé par le revêtement absorbant 22 ne peut pas se vaporiser au contact de la paroi froide 22 : de ce fait, il ne peut s'établir aucun cycle d'échange thermique par convection entre les parois 20 et 21. I1 ne peut non plus s'établir aucun transfert thermique par conduction puisque les autres parois de la chambre sont constituées en un matériau thermiquement isolant. L'organe 18 autorise donc bien l'évacuation de la chaleur depuis le volume d'utilisation vers l'extérieur (périodes de fonctionnement des thermo-éléments) mais interdit le passage de la chaleur en sens inverse (périodes de non-fonctionnement des thermo-éléments). L'ensemble des dispositions prévues pour la conception de l'appareil réfrigérateur permet de diminuer les pertes thermiques à un minimum et autorise donc la réalisation d'un appareil ayant un volume a d'utilisation important (de l'ordre d'une centaine ou de quelques centaines de litres) alimenté par des photopiles qui fournissent une puissance relativement faible et/ou d'un mauvais rendement. Un tel appareil réfrigérateur est donc utilisable pour le transport de médicaments et/ou de vaccins maintnus à une température relativement basse (par exemple de l'ordre de 50C) alors que la température ambiante est élevée, de l'ordre de 400C par exemple. L'appareil réfrigérateur peut dans ce but etre embarqué à bord d'un véhicule automobile léger 27 (voir fig. 1), les photopiles 8 étant alors avantageusement disposées sur le toit du véhicule. Bien entendu, rien n'empêche d'utiliser l'appareil réfrigérateur à poste fixe , en prévoyant par exemple des volets déployables et, éventuellement, orientables, articulés- sur la caisse même de l'appareil et portant les photopiles. Un agencement identique peut être prévu , moyennant une inversion de la polarité de la tension d'alimentation des photoéléments et une inversion du sens de conduction de l'organe d'échange thermique unidirectionnel pour réaliser un appareil de chauffage destiné à la conservation de produits à une température plus élevée que la température ambiante. 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. REVENDICATIONS 1. Appareil de climatisation pour refroidir ou réchauffer un volume d'utilisation relativement grand et destiné à fonctionner de manière autonome dans une ambiance à température différente (respectivement plus chaude ou plus froide) de celle du volume d'utilisation, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison - deux enceintes fermées, l'une entourant l'autre pour délimiter une capacité dans laquelle un vide est établi, - une pluralité de cellules à effet Peltier comportant chacune au moins un organe d'échange thermique externe disposé sur la face externe de l'enceinte externe, au moins un organe a d'échange thermique interne disposé sur la face interne de l'enceinte interne, et au moins un thermo-élément interposé entre les susdits organes d'échange thermique externe et interne, - et un générateur de courant électrique continu à fonc tionnement autonome pour alimenter les thermo-éléments en courant continu avec une polarité telle que l'échan geur thermique externe soit un échangeur thermique chaud et que l'échangeur thermique interne soit un échangeur thermique froid (refroidissement du volume d'utilisation) ou inversement tel que l'échangeur thermique externe soit un échangeur thermique froid et que l'échangeur thermique interne soit un échangeur thermique chaud (réchauffage du volume d'utilisation). 2.- Appareil de climatisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur électrique est constitué par un ensemble de photopiles et en ce qu'il est prévu, à l'intérieur de l'enceinte interne, un accumulateur thermique pour diffuser du froid (refroidissement du volume d'utilisation) ou de la chaleur (réchauffage du volume d'utilisation) lorsque les photopiles ne sont pas en fonctionnement. 3.- Appareil de climatisation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe d'échange thermique interne et l'accumulateur thermique sont réalisés sous forme d'une seule et même pièce. 4.- Appareil de climatisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'entre l'organe d'échange thermique interne et les thermo-élé ments est interposé un élément thermiquement conducteur servant d'entretoise. 5.- Appareil de climatisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément d'entretoisement thermiquement conducteur est constitué sous forme d'un organe d'échange thermique unidirectionnel agencé pour autoriser les échanges thermiques depuis le volume d'utilisation vers l'ambiance extérieure, mais pour interdire les échanges thermiques en sens inverse. 6.- Appareil de climatisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'organe a d'échange thermique unidirectionnel comprend une chambre délimitée notamment par une première paroi thermiquement conductrice en contact thermique avec l'un des organes d'échange thermique et par une deuxième paroi thermiquement conductrice en contact thermique avec la face correspondante des thermo-éléments, deux autres parois thermiquement isolantes étant prévues entre les susdites première et deuxième parois pour fermer la chambre, une réserve de liquide à point de vaporisation choisi en fonction des conditions de fonctionnement de l'appareil, et une couche d'un matériau absorbant ledit liquide disposée sur la face tournée vers l'intérieur de la chambre de celle des susdites première et deuxième parois de la chambre qui est plus chaude que l'autre. 7.- Appareil de climatisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les deux enceintes sont constituées en un matériau polymérisable moulable. 8.- Appareil de climatisation selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les photopiles sont disposées sur des volets mobiles déployables. 9.- Appareil de climatisation selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, destiné à être embarqué à bord d'un véhicule automobile ou analogue, caractérisé en ce que les photopiles sont disposées sur une surface extérieure, notamment le toit, dudit véhicule. 10. Appareil réfrigérateur possédant un volume utile relativement grand et destiné à fonctionner de manière autonome dans une ambiance à température relativement élevée, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison - deux enceintes fermées, l'une entourant l'autre pour délimiter une capacité dans laquelle un vide est établi, - une pluralité de cellules à effet Peltier comportant chacune au moins un organe d'échange thermique chaud disposé sur la face externe de l'enceinte externe, au moins un organe d'échange thermique froid disposé sur la face interne de l'enceinte interne, et au moins un thermo-élément interposé entre les susdits organes d'échange thermique chaud et froid, - et un ensemble de photopiles relié électriquement aux thermo-éléments pour alimenter ceux-ci en courant continu.