Brevet FR2501841A1 — publié le 19820917

L'invention a pour objet une installation à pompe à chaleur. On tend à utiliser de plus en plus les pompes à chaleur pour le chauffage des locaux, domestiques ou autres, et cela dans un souci d'économie d'énergie. Dans certaines installations, l'énergie est fournie par un moteur électrique. Outre que le rendement d'ensemble, au point de vue énergétique, depuis la source initiale d'énergie jusqu'à la chaleur disponible, est faible, lamultiplicationdu nombre de telles installations pose un problème délicat en ce qui concerne la consommation nationale ou régionale en électricité et ses variations au cours de la journée, dont l'amplitude peut mettre en difficulté un réseau de distribution. On a également proposé des installations dans lesquelles le compresseur de la pompe i chaleur est entraîné à partir d'un moteur thermique, moteur à combustion interne ou turbine à vapeur. plais le respect des conditions de confort, et également des considérations d'économie, posent des problèmes qui ne sont pas entièrement résolus, même lorsqu'on fait appel å un moteur diesel. On a cherché depuis quelque temps å associer, dans une installation à pompe à chaleur, d'une part un moteur électrique et d'autre part un moteur à combustion interne; mais la mise en circuit et hors circuit de l'un et/ou l'autre des moteurs soulève des difficultés d'ordre technique ou économique qui n'ont pas encore été complètement écartées jusqu'ici. L'invention remédie à ces inconvénients. Celle a pour objet une installation à pompe à chaleur du type comprenant un moteur électrique et un moteur thermique (moteur à combustion interne) prévus pour entraîner, séparément ou ensemble, le compresseur de la pompe à chaleur, caractérisée en ce que l'action d'entratnement de l'un et/ou l'autre des moteurs est transmise au compresseur de la pompe à chaleur par l'intermédiaire d'un différentiel à engrenages dont la sortie est reliée au compresseur et les deux entrées respectivement à l'un et l'autre des moteurs. D'une manière extraordinairement simple, l'application d'un tel différentiel, - ou différentiel rapide pour le distinguer de ceux qui sont utilisés d'une manière courante sur les véhicules automobiles -, à ltentrainement du compresseur d'une pompe à chaleur par un ou deux moteurs résout les divers problèmes et difficultés rencontrés dans la mise en oeuvre d'une telle installation. Tout d'abord la souplesse de la transmission introduite par le différentiel permet l'entratnement sans à-coups du éompresseur, et cela en dépit des caractéristiques de fonctionnement fondamentalement différentes d'un moteur électrique d'une part, et d'un moteur thermique d'autre part, notamment un moteur à combustion interne du type à pistons, et cela dans les diverses conditions, particulièrement au cours du passage d'un type d'entratnement à un autre type d'entraSnement. L'installation est propre à fonctionner à des puissances très différentes, pour répondre aux exigences variables d'utilisation; en particulier elle peut passer très rapidement d'une puissance faible, correspondant à une marche au ralenti, à une puissance maximale, et vice versa. A cet égard, elle est particulièrement appropriée pour être contr8lée à partir d'une commande automatique, thermostatique ou autre. Selon une forme de réalisation, faisant appel à un moteur diesel en tant que moteur thermique, l'installation comprend un seul frein, à savoir un frein associé au moteur électrique, tirant profit du fait que la résistance offerte à l'entratnement par un moteur diesel à l'arrêt, est,dans la plupart des cas, plus grande que celle qu'offre à l'entraine- ment le compresseur de la pompe à chaleur. Une installation selon l'invention comprend avantageusement des moyens possr que participe au chauffage procuré par la pompe à chaleur tout ou partie de la chaleur développée par la fonctionnement du moteur à combustion interne, la récupération ayant lieu sur les gaz d'échappement dudit moteur et/ou sur l'eau ou autre liquide prévu pour le refroidissement du moteur. Elle prévoit, dans une forme de réalisation, que le chauffage ait lieu, s'il est souhaitable, à partir de la seule chaleur développée par le fonctionnement du moteur à combustion interne. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'ensemble de l'installation; - la figure 2 est une vue schématique d'un différentiel faisant partie de l'installation; - la figure 3 est une vue schématique en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 2, mais pour un autre type de différentiel; - la figure 5 est une vue analogue aux figures 2 et 4, mais pour encore un autre type de différentiel. L'installation à pompe à chaleur est prévue, par exemple, dans un but de chauffage d'un local et/ou pour son alimentation en eau chaude. La pompe à chaleur 11 comprend un compresseur 12 qui reçoit à son entrée 13 le fluide de circulation de la pompe à chaleur, du genre "fréon", sous forme gazeuse et à une température proche de la température ambiante. A la sortie 14 du compresseur, le fluide de circulation est sous forme liquide, à pression élevée et à température élevez Le liquide parvient à l'entrée 16 d'un condenseur 17 où il circule dans un serpentin 18 au contact de l'eau ou autre fluide à réchauffer qui parvient au condenseur 17 par une canalisation 19, l'eau chauffée s'échappant par une canalisation 21. Le liquide refroidi, mais encore sous pression, parvient à l'entrée 22 d'un détendeur 23. A la sortie 24, après la détente, le fluide est sous forme gazeuse, à basse température, et est acheminé à l'entrée 25 du premier compartiment 131 d'un évaporateur 26 où il circule dans un serpentin 27. Ce dernier est, dans le compartiment 131, balayé par de l'air mis en mouvement par le ventilateur 28, et qui sort à la partie supérieure 29 dudit compartiment à une température plus basse.Le fluide de circulation est, à partir de la sortie 132 du compartiment 131, acheminé vers l'entre 133 d'un second compartiment 134 de l'évaporateur 26 dans lequel il circule dans un serpentin 135. Le gaz circulant dans ledit serpentin est complémentairement réchauffé et il est à la sortie du compartiment 134, acheminé par le conduit 13 à l'entrée 14 du compresseur 12. L'arbre 31- du compresseur 12 est solidarisé, comme schématisé par le manchon 32, avec l'rbre de sortie 33 d'un dispositii différentiel 34 à pignons engrenants. Dans un différentiel comme montré sur la figure 2, l'arbre 33, porté à rotation dans un palier 35, est solidaire d'un pignon conique 36. Celui-ci est en relation d'engrànement, en deux zones diamétralement opposées, avec des pignons satellites 37 et 38 tournant, autour de leur axe commun 41 , sur un arbre transversal 42 perpendiculaire à l'arbre 33. L'arbre 42 est porté par ses extrémités 44 et 45 (figure 3) dans un carter 46 dont la surface extérieure 47 est de forme générale sphérique. Sur la surface extérieure 47 sont ménagées des gorges, au nombre de deux dans l'exemple représenté, 48 et 49, à section trapézoïdale et à configuration générale circulaire, dont les plans moyens sont perpendiculaires à l'axe 43 de l'arbre 33 et prévues pour l'engagerent des brins d'une courroie 51 (figure 1). Celle-ci passe sur une poulie 52 calée sur l'arbre 53 d'un moteur électrique 54 auquel est associé un frein 55, l'axe 56 du moteur électrique étant parallble à l'axe 43 de l'arbre 33. Avec les satellites 37 et 38 coopbre également un pignon 57 (figure 2) symétrique du pignon 36 par rapport au plan passant par l'axe 41 et perpendiculaire à l'axe 43, et le pignon 57 est solidaire d'un arbre 58 dont l'axe 59 prolonge l'aise 43. L'arbre 58 repose dans un palier 61 et il est rendu solidaire par un collier 64 de l'arbre de sortie 62 d'un moteur diesel 63,par exemple alimenté par un gaz combustible. Le tuyau d'échappement 65 du moteur diesel est garni d'ailittes 66, le tuyau et sês ailettes étant enfermés dans un bottier 67. Le bottier 67 fait partie d'un circuit d'dchangeur de chaleur et l'eau qu'il contient peut s'en échapper par un conduit 68 venant confluer en 69 avec un conduit 71 issu de l'intervalle dans lequel circule l'eau de refroidissement du moteur diesel. Les eonduits 68 et 71 se prolongent par une canalisation unique 72 aboutissant en 73 à la partie inférieure du compartiment 134. De la partie supe- rieure dudit évaporateur prend naissance on 74 une canalisation 75 d'eau refroidie qui fait retour, par sa branche 76, dans l'intervalle prévu pour le liquide de refroidissement du moteur et > par sa branche 77, au bottier 67. On réalise ainsi une pompe à chaleur dite "à énergie totale". Le fonctionnement est le suivant t La pompe à chaleur, lorsque son compresseur 12 est entratné, fonctionne à la manière habituelle : le fluide à chauffer, habituellement de l'eau d'une installation de chauffage ou d'une installation de fourniture d'eau chaude, est chauffé dans le condenseur 17. Suivant la quantité de chaleur requise,et également les circonstances, le compresseur 12 est entratné, soit à partir du moteur électrique 54 seulement, eoit à partir du moteur diesel 63 seulement, soit conssointement à partir du moteur électrique 54 et du moteur diesel 63. Dans la première condition, l'entratnement de l'arbre 31 à partir du moteur électrique a lieu par l'intermédiaire de la courroie 51, du bottier ou carter 47, de 11 arbre transversal 42, des pignons satellites 37 et 38 portés par cet arbre, du pignon 36 et de l'arbre 33, les pignons satellites 37 et 38 prenant appui sur le pignon 57, immobile grâce au fait que l'arbre 62 dont il est solidaire est l'sobre de sortie du moteur diesel dont la résistance à l'entrainement, lorsque le moteur diesel n'est pas alimenté, est supérieure à celle qu'offre l'arbre 31 du compresseur 12. Dans cette condition, le frein 55 du moteur électrique est, bien entendu, libéré. Lorsqu'il est souhaité faire cesser le chauffage, l'alimentation du moteur électrique est interrompue, ce qui peut avoir lieu facilement sous l'effet d'une commande automatique, par exemple thermostatique et/ou d'une commande manuelle. Lorsque, au contraire, on souhaite obtenir une puissance de chauffage supérieure à celle correspondant à l'entraînement du compresseur 12 par le seul moteur électrique 54, on fait intervenir le moteur diesel 63. L'arbre 58 du dispositif différentiel 34 tourne alors à la vitesse de l'arbre de sortie 62 du moteur diesel et l'effort d'entraînement est transmis à l'arbre 31 d'entrée du compresseur 12 par le pignon 57, les pignons satellites 37 et 38 et le pignon 35 dont l'arbre 33 est solidaire de l'arbre 31 du compresseur. Dans cette condition, l'entraînement du compresseur 12 peut aussi avoir lieu à partir du couple développé par le moteur électrique 54, le différentiel 34 étant, par essence même, propre à transmettre simultanément un couple provenant du moteur diesel 63 et un couple provenant du moteur électrique 54. Si l'on souhaite entratner le compresseur 12 par le seul moteur diesel, alors le frein 55 du moteur électrique est appliqué et la transmission du couple développé par le moteur diesel s'effectue par l'intermédiaire du pignon 57, des pignons satellites 37 et 38 et du pignon 36, le bottier 47 portant l'arbre transversal 42 autour duquel tournent les pignons satellites 37 et 38 étant alors immobile. On prévoit également une condition dans laquelle le moteur diesel 63 tourne au ralenti, entratnant à vide le moteur électrique 54 par l'intermédiaire de la courroie 51, le frein 55 étant alors desserré, le compresseur 12 n'étant pas entraîné, sa résistance à l'antrainement étant supérieure à celle qu'offre le moteur électrique non alimenté. La mise au ralenti du moteur diesel et la libération du frein du moteur électrique peuvent être commandées par un mdme capteur de température. Dans toutes les conditions, la récupération thermique est maximale, le fluide de refroidissement du moteur, y compris celui de son tuyau d'échappement, étant utilisé pour contribuer à l'efficacité de l'évaporateur 26. Selon une forme de réalisation, une branche dé circulation d'eau 141 est issue de la canalisation 72 et son accès est contrôlé par un robinet 142. La branche 141 aboutit à la canalisation 21 faisant partie de l'installation de chauffage. De la canalisation de retour 19 dépend une branche 143 dont l'accès est contrôle par un robinet 144 et qui aboutit à la canalisation 75. Lorsque les robinets 142 et 144 sont ouverts, l'eau circulant dans l'installation est chauffée directement par récupération de la chaleur développée par le fonctionnement du moteur 63. On se réfère maintenant à la figure 4. Dans cette forme de réalisation du dispositif différentiel, l'arbre de sortie 81 du dispositif différentiel 82, et solidaire de l'arbre d'entrée 31 du compresseur, se prolonge par un plateau 83 d'où dépendent deux ases parallèles 84 et 85 autour desquels sont montés à rot4tion, respectivement, des pignons cylindriques 86 et 87. Lesdits pignons coopèrent avec une denture intérieure 88 qui présente un bottier 89 dont la surface extérieure 90 ménage des gorges 91 pour le passage des courroies d'entratnement coopérant avec la poulie calée sur l'arbre du moteur électrique.Les pignons 86 et 87 coopbrent, par leur partie tournée vers l'we 95 de l'arbre 81, avec la denture 96 d'un pignon 97 dont est solidaire un arbre 98, coaxial à l'arbre 81, et qui est solidaire de l'arbre de sortie 62 du moteur diesel 63. Dans la réalisation montrée sur la figure 5, l'arbre 101, dont est solidaire l'arbre d'entrée du compresseur, pVnbtre dans un carter 102 par un palier 103. Il porte à son extrémité interne un plateau 104 d'où dépendent des axes 105 et 106 autour desquels sont montés b rotation, respectivement par des paliers 107 et 108, des pignons 109 et 111 b denture rectiligne. Ces pignons sont en prise par leur partie interne avec la denture 112 d'un pignon cylindrique 113, en regard du plateau 104, et coaxial b l'arbre 101, formant l'extrémité d'un arbre 114 solidaire de l'arbre de sortie du moteur thermique. Les pignons 109 et 111 engrènent, par leur partie tournée vers l'extérieur, avec la denture interne 115 d'une cuvette 116 logée à l'intérieur du carter 102 et qui présente, sur son fond 117, une denture conique 118, laquelle est en prise avec un pignon conique 119 formant l'extrémité d'un arbre 121 solidaire de l'arbre de sortie du moteur électrique et dont l'axe 122 est perpendiculaire à l'axe 123 commun aux arbre 101 et 114. Le fonctionnement des dispositifs différentiels montrés sur les figures 4 et 5 est analogue à celui montré sur la figure 2. REVENDICATIONS 1. Installation à pompe à chaleur du type comprenant au moins deux moteurs pour l'entraînement du compresseur, à savoir un moteur électrique et un moteur thermique, caractérisée par l'application d'un différentiel (34) à pignons engrenant dans la transmission interposée entre les moteurs (54,63) et le compresseur (12) et dont la sortie est reliée à l'arbre d'entrée (31) du compresseur et les entrées (47,58) sont reliées respectivement aux sorties (52,62) du moteur électri- que (54) et du moteur thermique (63). 2. Installation à pompe à chaleur selon la revendication 1 caractérisée en ce que le moteur thermique est un moteur à combustion interne (63). 3. Installation à pompe à chaleur selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moteur thermique est un moteur diesel. 4. Installation à pompe à chaleur selon 1B revendication 3, caractérisée en ce que le moteur diesel est alimenté au gaz. 5. Installation à pompe à chaleur selon la revendication 3, caractérisée en ce que le circuit du liquide de refroidissement du moteur diesel (71,72) est relié à po- rateur (26) de la pompe à chaleur. 6. Installation à pompe à chaleur selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'évaporateur (26) est également parcouru par de l'air. 7. Installation à pompe à chaleur selon la revend il cation 2, caractérisée en ce que la sortie chaude (21) du condenseur (17) est reliée directement à un circuit de récusé ration (67,68,71) de la chaleur dégagée par le fonctionnement du moteur à combustion interne. 8. Installation à pompe à chaleur selon la revend il cation 1, caractérisée en ce que le moteur électrique est un moteur à frein. 9. Installation à pompe à chaleur selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un moyen de commande contrtle simultanément la mise au ralenti du moteur diesel et la mise hors condition opératoire du frein du moteur électrique.