Brevet FR2487488A1 — publié le 19820129

La présente invention concerne une pompe à chaleur comprenant un compresseur pour mettre en circulation un fluide réfrigérant, un évaporateur pour l'évaporation du réfrigérant liquide par échange thermique avec un fluide externe, et un condenseur pour la condensa- tion du fluide réfrigérant évaporé. Suivant l'invention, une pompe à chaleur de ce type est carac- térisée en ce que l'évaporateur comprend un premier tube destiné à être mis en contact avec le fluide externe, du côté extérieur de ce tube, lequel est connecté, à l'une de ses extrémités, au côté aspi- ration du compresseur, et est fermé à son autre extrémité, et un second tube relié au condenseur, ce second tube s'étendant pratique- ment coaxialement à l'intérieur du premier tube, à partir de la pre- mière extrémité de celui-ci, et s'ouvrant à une certaine distance de l'autre extrémité fermée du premier tube, de manière à former l'or- gane d'étranglement de l'évaporateur. Grâce à une telle disposition, on obtient non seulement une construction très simple de l'évaporateur mais encore une adaptation automatique de la quantité de réfrigérant liquide fourni à l'évapo- rateur en fonction de la quantité de chaleur apportée. Autrement dit, quand une faible quantité de chaleur est fournie à l'évaporateur à partir du fluide externe, une température de vaporisation inférieure est exigée dans l'évaporateur et ceci est réalisé automatiquement dans l'évaporateur suivant l'invention du fait que le débit du réfri- gérant liquide est réduit automatiquement lorsque la température diminue. On ne connaît pas d'une manière certaine les causes entraînant ce résultat, mais on suppose que ceci est dû au fait que l'huile en- tratnée dans le fluide réfrigérant en circulation et provenant du compresseur de la pompe à chaleur devient de plus en plus visqueuse au fur et à mesure que la température du fluide externe s'abaisse, si bien que le débit du réfrigérant liquide à travers le second tube est freiné. De préférence, le premier tube est entouré par une enveloppe externe tubulaire, allongée, faisant partie d'un conduit assurant la circulation du fluide externe. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une for- me d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un schéma d'une pompe à chaleur suivant l'invention. La figure 2 est une vue en perspective et en transparen- ce de l'évaporateur et d'un tube formant l'enveloppe externe de l'éva- porateur et assurant le passage du fluide externe. La pompe à chaleur représentée sur la figure 1 comprend un compresseur (10) qui pompe un agent réfrigérant, tel que celui connu sous le nom de "Fréon", vers un condenseur (11), puis à partir de ce dernier, vers un évaporateur (12) qui est représenté d'une manière plus détaillée sur la figure 2. L'évaporateur est disposé à l'intérieur d'une enveloppe externe constituée par un tube (13) qui est fermé à une extrémité (14) et qui est connecté à une pompe de circulation (15), à son autre extrémité. Un certain nombre de tubes (16), de section droite inférieure à celle du tube (13), sont connectés, à l'une de leurs extrémités, à ce tube (13). Ils s'étendent parallèlement les uns aux autres, à partir du tube (13), dans la direction transversale par rapport à ce dernier, puis ils forment une boucle (17) de 180 pour revenir, toujours parallèlement les uns aux autres, en direction du tube (13), de manière à pouvoir être reliés, à leurs autres extré- mités, à un autre tube (18) identique au tube (13). Ce tube (18) est fermé à l'une de ses extrémités (19) et il est relié, à son autre extré- mité, à la pompe de circulation (15). Cette pompe fait circuler un fluide externe, tel que de l'eau, à travers les tubes (13), (16) et (18), ainsi que cela est indiqué par les flèches sur le dessin. On peut voir ainsi que les tubes (13) et (18) forment des collecteurs pour les tubes (16) de plus petit diamètre. Les tubes (13), (16) et (18) sont réalisés de préférence en un élastomère synthétique flexible, à longue durée de vie, tel que le chlorure de polyvinyle. Dans ce cas, ils peuvent être constitués de tubes en PVC noir du type utilisé pour les réseaux de distribution d'eau potable, ou bien encore de tubes en un monomère éthylène-propylène-diène (EPDM). Il est essen- tiel que le matériau constituant les tubes soit insensible à la corro- sion, à la lumière ultraviolette et aux actions chimiques et qu'il élimine les problèmes liés au gel. Sur la figure 1, les tubes (16) sont disposés en un groupe comprenant six tubes et un nombre quelconque désiré de tels groupes de tubes peut être relié aux tubes (13) et (18), un groupe additionnel étant représenté partiellement en 16'. Les tubes (13), (16) et (18) forment un échangeur de chaleur pour fournir de la chaleur à l'évaporateur (12) et cet échangeur de chaleur peut être disposé dans le sol de telle façon que le fluide circulant à travers cet échangeur absorbe la chaleur du sol, ou bien encore il peut être suspendu sur des supports logés par exemple sur le toit d'un garage ou d'un parking de véhicules ou bien encore sorune pMi cuune barriète de telle façon que le fluide circulant à travers eux puisse absorber la chaleur de l'air. Dans une forme d'exécution préférée de l'échangeur de chaleur décrit, les tubes (16) de chaque groupe consistent en un tapis absor- bant qui est vendu sous le nom " Solaroll " et qui est fabriqué par la Société Bio-Energy Systems, Inc. Ellenville, New-York, U.S.A. Ces tubes peuvent être diposés avec la configuration à extrémités situées d'un même c8té, ainsi qu'il est représenté sur la figure 1, mais, on peut concevoir toute autre configuration bien connue dans la techni- que, par exemple celle du type papillon ou encore celle du type grille. Un écoulement équilibré tel que celui représenté sur la figure 1, dans lequel le fluide en circulation a la même direction d'écoulement dans les tubes (13) et (18), est préférable à l'écoulement déséquilibré avec des directions d'écoulement opposées dans ces tubes. Le fluide externe,qui a absorbé la chaleur pendant le passage à travers l'échangeur de chaleur décrit ci-dessus, passe le long de l'évaporateur (12) en réalisant un échange de chaleur avec ce dernier, et ce, afin de fournir la chaleur nécessaire pour l'évaporation du réfrigérant liquide fourni à l'évaporateur. Le fluide externe a habi- tuellement une température de 6 à 8VC mais la température peut s'a- baisser jusqu'à 20C. Au lieu d'être chauffé dans l'échangeur de cha- leur décrit précédemment, le fluide externe qui passe à travers le tube (13) en échangeant de la chaleur avec l'évaporateur (12), peut être chauffé dans un collecteur solaire au il peut être fourni par un réseau de chauffage à distance. Ce fluide peut être également consti- tui par de l'eau sous-terraine pompée à partir du sol et réinjectée dans le sol après avoir passé le long de l'évaporateur et assuré l'échange thermique avec ce dernier. Si on se réfère plus particulièrement à la figure 2 du dessin, on voit que l'évaporateur (12) comprend un premier tube (20) qui pré- sente des parois frontales (21) et (22) et qui est ainsi complètement fermé par rapport à l'intérieur du tube (13) dans lequel est logé l'évaporateur. Un second tube (23) passe à travers la paroi frontale (21) et il s'étend à l'intérieur du premier tube (20) pratiquement coaxialement avec ce dernier. L'extrémité interne du second tube (23) s'ouvre à une certaine distance de l'autre paroi frontale (22). Un conduit (24) relie le tube (20), à son extrémité fermée par la paroi frontale (21), au compresseur (10), du côté aspiration de ce dernier, le - cté -refoulement étant connecté à l'entrée du condenseur (11) par un conduit (25) tandis qu'un autre conduit (26) relie le tube (23) à la sortie du condenseur. Ce condenseur est disposé de manière à as- surer un échange thermique avec un second fluide externe, tel que de l'eau, qui sert en tant que fluide caloporteur pour distribuer la chaleur récupérée dans le condenseur, par exemple en direction de radiateurs d'une installation de chauffage central d'une constructinn. Le réfrigérant liquide est introduit dans le tube (23) en amont du fluide externe passant à travers le tube (13) et à partir de l'extrémité ouverte de ce tube (23) le réfrigérant liquide s'évapore pendant l'absorption de chaleur à partir du fluide externe. Il passe ensuite à travers le tube (20), dans une direction d'écoulement op- posée à celle du réfrigérant liquide dans le tube (23) et du fluide externe dans le tube (13), en direction du conduit (24) pour être aspiré de nouveau par le compresseur (10) et comprimé par ce dernier. Le tube (23) forme ainsi l'organe d'étranglement de l'évaporateur (12). Le réfrigérant liquide fourni à travers le tube (23) est re- froidi, pendant son écoulement en direction de l'extrémité ouverte du tube (23), par le réfrigérant environnant se trouvant dans le - tube (20) et,à l'endroit de l'extrémité ouverte du tube (23),ce réfrigérant s'évapore et pénètre dans le tube (20). Grâce à ce re- froidissement préalable du réfrigérant liquide fourni on obtient le fait décrit précédemment, à savoir que le débit du réfrigérant est adapté à la quantité de chaleur fournie par le fluide externe dans le tube (13). Dans une forme d'exécution typique de la pompe à chaleur sui- vant l'invention, le tube (13) a un diamètre interne d'environ 40mm. Le premier tube (20) de l'évaporateur (12) a un diamètre interne d'environ l9mm tandis que le second tube (23) a un diamètre interne allant de 4,7 à 4,8mm. Le réfrigérant est fourni au tube (23) à par- tir du conduit (26) à une température de 40 à 50'C par exemple et il est refroidi dans le tube (23) jusqu'à une température de vapristion de 10 à 20'C. Il n'est pas nécessaire que le fluide externe utilisé pour fournir la chaleur à l'évaporateur (12) soit un fluide en circula- tion, comme dans l'exemple qui a été décrit. Un tronçon de tube for- mant l'enveloppe externe de l'évaporateur et ayant une longueur de m par exemple, peut être placé dans le sol pour assurer l'échange thermique entre le réfrigérant et le fluide externe reçu par le tube. Dans ce cas, le fluide externe n'est pas mis en circulation et il peut consister avantageusement en eau. Lorsque le compresseur (10) est en fonctionnement, ce qui peut avoir lieu pendant quelques heu- res toutes les 24 heures, l'eau se trouvant dans l'enveloppe externe gèle et est transformée en glace du fait que le réfrigérant absorbe sa chaleur de vaporisation à partir de l'eau. Ce gel peut être admis lorsque l'enveloppe extene est constituée par un tube en matière plastique qui est flexible, ce qui évite des dommages entraînés par la dilatation pendant le gel. Pendant la partie restante du cycle de 24 heures, la glace est alors fondue dans l'enveloppe externe sous L'effet de la fourniture de la chaleur terrestre provenant de l'envi- ronnement. Il n'est pas non plus nécessaire que l'évaporateur (12) soit logé dans une enveloppe externe. Il peut être en effet immergé dans l'eau de la mer, d'un lac, d'une rivière ou dans toute autre source naturelle d'un fluide externe convenant pour la fourniture de la chaleur d'évaporation à l'évaporateur. R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Pompe à chaleur comprenant un compresseur (10) pour mettre en circulation un fluide réfrigérant, un évaporateur (12) pour l'évaporation du réfrigérant liquide, par échange thermique avec un fluide externe, et un condenseur (11) pour la condensation du fluide réfrigérant évaporé, caractérisée en ce que l'évaporateur (12) com- prend un premier tube (20) destiné à être mis en contact avec le fluide externe, du côté extérieur de ce tube, lequel est connecté, à l'une de ses extrémités (21) au côté aspiration du compresseur (10) et est fermé à son autre extrémité (22) et un second tube (23) relié au condenseur (11), ce second tube (23) s'étendant pratiquement co- axialement à l'intérieur du premier tube (20), à partir de la pre- mière extrémité (21) de celui-ci, et s'ouvrant à une certaine dis- tance de l'autre extrémité fermée (22) du premier tube (20) de manière à former l'organe d'étranglement de l'évaporateur (12). 2.- Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractéri- sée en ce que le premier tube (20) est entouré par une enveloppe ex- terne tubulaire, allongée (13) recevant le fluide externe. 3.- Pompe à chaleur suivant la revendication 2, caractéri- sée en ce que l'enveloppe externe (13) est constituée par un tube en un élastomère synthétique flexible. 4.- Pompe à chaleur suivant l'une quelconque des revendi- cations 2 et 3, caractérisée en ce que l'enveloppe externe (13) forme une partie d'un conduit assurant la circulation à travers lui du fluide externe. 5.- Pompe à chaleur suivant la revendication 4, caractéri- sée en ce que le conduit (13) forme un collecteur pour un certain nombre de tubes (16), (16') d'un échangeur de chaleur.