Brevet FR2515794A1 — publié le 19830506

L'invention concerne un dispositif pour le remplissage ou le vidage,avec des conditions optimales au point de vue énergie, d'accumulateurs de chaleur avec des milieux liquides, emmagasinant ou transmettant de la chaleur, dans des systèmes pour le chauffage d'eau chaude et/ou d'eau industrielle par de l'énergie solaire et/ou par des pompes à chaleur, où on modifie,par une commande dépendant de la température et basée sur le principe d'une torsion, la position mutuelle de deux tubes coaxiaux munis, respectivement, d'une fente longitudinale s'étendant différemment l'une par rapport à l'autre, les fentes longitudinales formant à leur intersection une embouchure déplaçable le long de la hauteur des tubes. Il est approprié d'utiliser des accumulateurs de chaleur lorsqu'on chauffe des locaux au moyen de collecteurs solaires à température basse et/ou de pompes à chaleur. Ils permettent, par exemple, une diminution du nombre des collecteurs, une réduction de la puissance des moto-compresseurs, une plus grande longévité de ces derniers et,en outre,leur fonctionnement dans l'intervalle de fourniture énergie la plus favorable, par exemple lorsque le tarif de l'éner- gie électrique est le plus avantageux. A cause d'un prix assez bas, on utilise surtout des accumulateurs de chaleur qui sont remplis d'eau avec ou sans additifs ou on introduit dans l'eau, sous étanchéité par rapport à l'eau, des sels spéciaux dégageant une chaleur de fusion élevée. L'accumulation d'énergie thermique sans surpression est possible dans l'eau dans une gamme allant de o à ioo0c. L'énergie accumulée est directement proportionnelle à la température de l'eau. L'énergie thermique d'un potentiel thermique bas, par exemple à la température de 4O0C,est la plus rapidement régénérable et aussi celle qui est obtenue à moindre prix cette énergie est suffisante pour un réchauffement de sol à température basse de locaux et pour les besoins en eau chaude. On s'efforce donc ainsi d'avoir un accumulateur de chaleur aussi grand que possible. Cet effort est contrarié par le fait de manquer d'espace disponible et par le prix de l'accumulateur thermique. Pour maintenir plus bas la dimension et le prix de l'accumulateur thermique, il est nécessaire d'accumuler l'énergie thermique également à un niveau de température plus élevé, par exemple au-dessus de 500C,et de l'utiliser simultanément à un niveau de température très bas, c'est-à-dire un niveau régénérable plus simplement.L'énergie accumulée à un niveau de température plus élevé est utilisée comme réserve ou pour des buts spécifiques, par exemple au début du chauffage. Chaque mélange d'eau chaude et d'eau froide, tant dans l'accumulateur de chaleur que lors de l'emploi, diminue la rentabilité de toute l'installation. Selon cette recherche, il existe des constructions d'accumulateurs thermiques impliquant des températures croissant selon la hauteur. De tels accumulateurs thermiques conformés comme des récipients cylindriques à calorifugeage ayant des volumes supérieurs à 10 m3 sont fabriqués, par exemple, par la firme "TYSSEN-Solar". Selon la hauteur, un tel accumulateur thermique comporte plusieurs raccordements pour amener de l'eau chaude de collecteurs qui sont munis, respectivement, d'une soupape électromagnétique. Un commutateur spécial dépendant de la température ou un dispositif automatique électronique régule des soupapes individuelles de telle manière que l'eau provenant des collecteurs,chauffée à différentes températures, est subdivisée à différents niveaux de hauteur : l'eau la plus froide en dessous et l'eau la plus chaude au-dessus. L'eau chaude n'est prélevée que depuis le haut, c'est-àdire à l'endroit le plus chaud de l'accumulateur de chaleur. L'appareil automatique, l'équipement et la fabrication d'un tel accumulateur thermique doivent répondre à certaines exigences et donc reviennent cher, et il ne s'agit pas ici d'une commande sans gradation. On connaît de par la demande française de brevet NO 82 13717 un dispositif pour chauffer de l'eau chaude et de l'eau brûlante où,sans utilisation d'un appareil automatique électrique ou d'éléments de régulation, mais seulement par une conformation spéciale de l'échangeur de cha leur et au moyen d'un tube perforé, on a obtenu des couches d'eau de températures différentes le long de la hauteur de l'accumulateur thermique. Il est cependant désavantageux que le prélèvement de l'eau chaude et de l'eau brûlante hors de l'accumulateur thermique ait lieu à une hauteur déterminée inchangée de l'accumulateur, c'est-à-dire dans sa zone la plus chaude. L'eau chaude de l'accumulateur doit donc être mélangée du côté du consommateur avec de l'eau froide, ce qui diminue la rentabilité. Le problème qui est à la base de la présente invention est de produire un tel dispositif, de préférence pour prélever de l'énergie thermique à partir d'accumulateurs thermiques, qui recherche automatiquement le long de la hauteur de l'accumulateur thermique et sans gradation, chaque endroit où la température est basse, mais encore suffisamment élevée pour satisfaire aux exigences, et qui pourrait être incorporé dans un accumulateur thermique. Ce problème est résolu en ce qu'on dispose,dans un. boîtier qui est muni d'un raccordement tubulaire,une commande dépendant de la température dont la condition dépend au moins de la température de l'eau de passage et qui modifie l'angle de torsion mutuel des deux tubes disposés coaxialement qui présentent, respectivement, une fente longitudinale s'étendant en faisant un angle déterminé différent l'une par rapport à l'autre, de telle manière que l'embouchure formée,à l'intersection des deux fentes longitudinales,comme un losange étroit enroulé se déplace sur la longueur des tubes et prend une position en hauteur qui dépend de la température de l'eau de passage. Les avantages obtenus par le dispositif de la présente invention consistent en particulier en ce qu'il détecte automatiquement la position en hauteur, se modifiant lors du fonctionnement à l'intérieur de l'accumulateur thermique, à laquelle la température favorable correspondante règne, en ce qu'il a une structure simple et donc d'un prix réduit, et peut être utilisé également avec des accumulateurs thermiques petits, en ce qu'il peut être introduit dans l'accumulateur thermique depuis le côté supérieur dans une pièce de raccordement quelconque, ce qui rend possible une insertion simple et même ultérieure ou un échange, sans avoir besoin au préalable de vider l'accumulateur, en ce qu'il ne nécessite pour son fonctionnement, en dehors d'une conformation spéciale, aucune énergie additionnelle et en ce qu'on peut l'utiliser tant pour un vidage qu'un remplissage des accumulateurs thermiques, le tout dans des conditions optimales au point de vue énergie. La présente invention va maintenant être décrite à propos d'un exemple de réalisation et à la lumière du dessin annexé qui représente en une figure unique une vue en perspective d'un dispositif selon la présente invention pour vider ou remplir des accumulateurs thermiques à une condition optimale d'énergie, le couvercle de la tête du dispositif étant enlevé et dans une forme de réalisation qui est préférable pour le chauffage d'un local à température basse et présente un détecteur interne et un détecteur externe. Un boîtier d'une tête 1 du dispositif, dans laquelle est disposée une commande dépendant de la température,est muni d'un raccordement tubulaire 2,et dans sa partie inférieure,d'un appendice 3 à l'aide duquel le dispositif peut être fixé sur un accumulateur thermique et hors duquel dépasse vers le bas une colonne immergée 9. Le raccordement tubulaire 2 et l'appendice 3 peuvent être munis, soit, respectivement, d'un filetage et d'un joint ou seulement d'une rainure, d'un cône ou de bagues d'étanchéité. L'appendice 3 est prolongé vers le bas par un tube externe 4 ayant une fente longitudinale 41 rectiligne, comme représenté, ou hélicoîdale. On introduit dans le tube externe 4 un tube interne 5 d'un diamètre plus faible correspondant, qui est également muni d'une fente longitudinale 51, rectiligne ou hélicoidale-comme représenté. Ce tube interne est denté dans sa section terminale se trouvant en haut ou bien il porte une roue dentée avec montage intermédiaire d'un arbre axial. La section terminale se trouvant en bas des deux tubes 4 et 5 est fermée par un couvercle inférieur 6. Le tube interne 5 se trouve sur ce couvercle inférieur 6, par exemple comme sur un palier, au moyen d'un cône de montage non représenté,ou il est monté dans la tête 1, par exemple au moyen d'une bague-palier fabriquée en "Teflon", qui est emmanchée sur un gradin conformé de façon correspondante du tube interne 5 et qui a son utilité lors de la transmission des mouvements de rotation.En fonction de la torsion mutuelle des tubes 4 et 5, une embouchure 100 se forme a une hauteur correspondante modifiable le long de la colonne immergée par des arêtes de leurs fentes longitudinales 41 et 51. On introduit dans le boîtier de la tête 1 un soufflet 60 qui est rempli de vapeur saturée d'un des agents de refroidissement, par exemple R 12 (CP.2Cl2) et qui pousse par une tige dentée 65 sur un ressort hé licol- dal 66 dont la force de compression peut être réglée par une vis d'ajustage 67. La tige dentée 65 s'engage avec ses dents dans la denture 55 du tube interne 5. Ces éld- ments représentent une forme de réalisation simple d'une commande dépendant de la température. On introduit dans le boîtier de la tête 1 également un autre soufflet 70 qui s'engage aussi par l'intermédiaire d'mne tige dentée 75 dans la denture 55 et pousse sur un ressort hélicoldal 76 dont la force de compression peut être ajustée par une vis de réglage 77. Le soufflet 70 communique par un tube capillaire 71 avec un détecteur 72 dans lequel se trouve le condensat de l'un des agents de réfrigération connus. La stabilité en position du tube externe 4 est fournie, par exemple par une tige filetée 31. Dans le dispositif représenté, toutes les pièces internes de la tête 1 sont baignées pendant le fonctionnement par le liquide de passage. Un couvercle qui n'est pas visible au dessin, les vis de réglage 67 et 77 ainsi que le tube capillaire 71 sont étanchéifiés par des moyens hermétiques ou des joints associés. Toutes les pièces du dispositif,en dehors des soufflets et des ressorts de compression,peuvent être fabriquées à partir de matières plastiques, en particulier lorsqu'il s'agit d'eau et que les températures ne dépassent pas la valeur d'environ 900C Le dispositif selon la présente invention travaille automatiquement. Même si le liquide passant à travers le dispositif a un débit minimal, le soufflet 60 prend la température de l'eau de passage. A une température déterminée correspond une pression déterminée dans le soufflet. Une pression plus grande dilate le soufflet et pousse ainsi le ressort hélicoïdal 66 jusqu'à la condition d'équilibre, ce qui provoque une certaine course de la tige dentée 65 qui mène à une torsion du tube interne 5 d'un angle correspondant, dans le cas de la figure 1, dans le sens des aiguilles d'une montre. Comme la fente longitudinale 51 tourne vers la gauche, une température plus élevée de l'eau provoque un déplacement de l'embouchure 100 en direction de la tête 1 contre le couvercle inférieur 6.Si la fente longitudinale 51 était tournée vers la droite, une température plus haute de l'eau au niveau du soufflet 60 provoquerait un déplacement de l'embouchure 100 en direction de la tête. Une baisse de la température provoquerait par contre des effets inverses. Lorsqu'il y a des fentes longitudinales 41 et 51 assez raides qui, éventuellement, peuvent s'étendre dans des directions opposées, un soufflet avec un long trajet et un rapport de transmission important de l'engrenage à roue dentée, la position de l'embouchure 100 se modifie déjà lorsqu'il y a une modification minimale de tempverature, d'environ 5 K, de la position la plus basse à la position la plus haute, ce qui pourrait même signifier une différence de hauteur de plusieurs mètres. On peut régler la sensibilité du dispositif ou l'importance de la gamme de températures avec la vis de réglage. La gamme est plus grande lorsque le ressort hélicoldal est poussé plus intensivement, et vice versa. La température à laquelle le dispositif devrait travailler est ajustée par une torsion du tube externe. Le dispositif selon la présente invention qui est muni seulement d'un soufflet peut être utilisé tant pour le remplissage que pour le vidage d'accumulateurs thermiques, en ce qui concerne l'énergie. Pour remplir les accumulateurs thermiques, on désire avoir une large gamme de fonctionnements, par exemple d'environ 200C dans la position la plus basse de l'embouchure 100 jusqu'd environ 900C à la position la plus haute de l'embouchure 100. Des systèmes de température basse permettant de mobiliser l'énergie solaire,qui sont munis du dispositif de la présente invention,chauffent l'eau,dans le cas d'un rayonnement suffisant des collecteurs,jusqu'à une température élevée de par exemple 900C, et dans le cas d'un rayonnement plus mauvais, par contre, jusqu'à une température plus basse.Le dispositif selon la présente invention accumule de l'eau chauffée pour qu'il se trouve toujours de l'eau chaude en haut et de l'eau froide en bas. Pour le vidage des accumulateurs thermiques, on désire avoir une gamme de fonctionnement aussi étroite que possible, ainsi, par exemple, pour le cas d'un chauffage de sol à basse température,seulement d'environ 350C à 300C et,pour le cas de l'eau chaude,de 45"C à 400C. A partir des accumulateurs thermiques des systèmes pour chauffer des locaux au moyen de l'énergie solaire ou au moyen de pompes à chaleur, le dispositif selon la présente invention prélève lors de sa mise en fonctionnement l'énergie à partir de la couche à une température de 350C. L'eau de recirculation,qui est plus froide et qui entre depuis le bas dans l'accumulateur thermique, fait sortir les couches plus chaudes en les poussant vers le haut. Après que l'eau froide a atteint le soufflet 60, la commande déplace l'embouchure dans une certaine mesure plus haut dans une couche plus chaude. Ce processus est répété jusqu'à ce qu'un équilibre énergétique soit atteint, c'est-àdire jusqu'à l'équilibre des quantités d'énergie sortantes et rentrantes, ou bien alors le dispositif utilise l'énergie accumulée dans l'eau chaude jusqu'd ce que même la couche la plus haute de l'eau dans l'accumulateur thermique n'ait plus qu'une température d'environ 300C. Dans ce dernier cas, l'embouchure 100 se trouve dans sa position terminale haute. La forme de réalisation selon la présente invention représentée au dessin permet des économies d'énergie sensibles, par exemple, avec deux soufflets travaillant à contresens. La température du local à chauffer ou la température extérieure exercent encore leur influence sur la torsion du tube interne 5 et ainsi sur la position en hauteur de l'embouchure 100. Dans le cas d'un sur-refroidissement de local ou lors de températures externes basses, la force du ressort hélicoïdal 76 est plus grande que la force du soufflet 70 ; à cause de l'effet d'une paire de forces sur le tube 5, une force s'exerce aussi contre la force du soufflet 60, ce qui requiert indirectement une température plus élevée de l'eau de passage jusqu'à ce que la condition désirée-soit atteinte.Une telle forme de réalisation du dispositif selon la présente invention peut remplacer tous les sytèmes dispendieux pour réguler le chauffage des locaux. Lors d'une utilisation périodique des locaux à chauffer, il est possible,en utilisant le dispositif selon la présente invention,de réduire au minimum les temps de démarrage et ainsi d'économiser suffisamment la consommation d'énergie. On pourrait également envisager une forme de réalisation selon laquelle un soufflet pousse directement sur l'autre soufflet par une tige dentée, ce qui permet de se passer des ressorts de compression. Il est possible bien évidemment-de monter le détecteur 72 de manière que la température externe influe sur lui, le dispositif selon la présente invention faisant alors appel à l'eau des couches plus chaudes de l'accumulateur thermique lorsque les températures externes sont plus basses. En outre, en accord avec la présente invention, on peut envisager une forme de réalisation selon laquelle on dispose de trois soufflets ou davantage, la température de l'eau de passage, la température ambiante et la température externe influençant alors la position en hauteur de l'embouchure. On peut avoir d'autres formes de réalisation dans lesquelles le boiter de la tête 1 est conformé de manière que la partie hydraulique soit séparée par une paroi de la partie de régulation de commande.Dans ce cas, le soufflet 60 peut être également relié par un tube capillaire au détecteur se trouvant dans la partie hydraulique, et la transmission de la rotation vers le tube interne est réalisée par un arbre lisse qui, par exemple, est étanchéifié au moyen d'une bague hermétique. Une telle forme de réalisation est appropriée avec des accumulateurs thermiques sous pression. La transmission des mouvements d soufflet sur le tube interne 5 ou bien encore sur le tube externe 4 peut aussi avoir lieu de façon différente, par exemple, par l'intermédiaire d'un ou plusieurs disques excentriques, un actionnement par torsion ou par clavette, mais ceci n'augmente pas la fiabilité de fonctionnement du dispositif. Le réglage ou l'ajustage du dispositif peut être en outre réalisé non seulement au moyen d'une seule vis en intercalant un ressort etZou un soufflet, mais encore avec deux vis ou davantage, avec des coulisses ou avec des disques excentriques, avec une autre vis se trouvant dans une première vis, le tout étant réalisé par le fabricant ou par le consommateur. Lors d'un réglage individuel, des éléments correspondants peuvent être munis d'échelles ou de symboles d'affichage, ce qui ne modifie pas les caractéristiques de structure de la présente invention. On recommande une forme de réalisation dans laquelle le tube interne 5 se trouvant dans la tête 1 est monté dans la direction axiale ainsi que dans la direction radiale,de telle manière que les tubes 4 et 5 puissent être,si besoin est,raccourcis lors de leur montage et que le même couvercle inférieur 6 soit utilisé. Pour que la chaleur ne soit pas transmise par contact à travers les tubes du dispositif selon la présente invention, ils sont fabriqués de manière appropriée à partir de matière plastique, par exemple polypropylène. Les soufflets doivent être munis de fins de course internes ou externes tant dans leur trajet d'extension que dans leur trajet de contraction pour qu'ils ne soient pas déformés de façon inadmissible lors de leur fabrication ou lors d'un emploi anormal. Lorsque les accumulateurs de chaleur sont importants, il serait nécessaire d'utiliser des dispositifs selon la présente invention ayant des tubes de colonne immergée 9 de sections transversales et de longueurs importantes. Ceci nécessiterait aussi des soufflets, des ressorts et des éléments de transmission, etc., de dimensions correspondantes plus importantes. Dans un tel cas, il est approprié de réaliser le dispositif selon la présente invention de telle manière que la position de torsion mutuelle des tubes 4 et 5 soit modifiée par un engrenage de réversion directement ou en intercalant un engrenage réducteur, l'engrenage de réversion étant régulé au moyen d'un régulateur de température capillaire avec des contacts de commutation et un ou plusieurs détecteurs disposés aux mêmes endroits qu'indiqué ci-dessus, ou au moyen d'un système automatique correspondant. Le dispositif proposé peut être raccordé,.outre à un accumulateur de chaleur,également à une forme de réalisation par ailleurs non représentée d'un robinet à une seule manette et un seul tube d'eau chaude ou froide. Dans ce but, on incorpore dans la tête 1 du dispositif un soufflet hydraulique dont les extensions exercent une influence sur la modification de longueur de l'embouchure 100 et qui est relié par un tube capillaire et un deuxième soufflet'nydrau- lique qui est introduit dans le robinet et sur lequel agit, en intercalant nécessairement un ressort, une vis permettant de choisir la température de l'eau. Si, par contre, on utilise des soufflets à air comprimé, il n'y a pas besoin de ressort. Le trajet de la vis dans le robinet est transmis hydrauliquement sur le soufflet se trouvant dans la tête 1 du dispositif. Lors d'une transmission hydraulique, il est nécessaire,à cause de la résistance importante du tube capillaire,d'avoir un ressort pour empêcher des pressions momentanées trop importantes du-soufflet se trouvant dans le robinet. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le remplissage ou le vidage d'accumulateurs thermiques dans des conditions optimales d'énergie, par des milieux liquides, accumulant ou transmettant la chaleur, caractérisé en ce qu'une tête (1) du dispositif,qui est munie d'un raccordement tubulaire (2) et d'une colonne immergée (9),est traversée par un milieu thermique dont la température influe sur une commande qui modifie au moyen de torsions la position angulaire mutuelle de deux tubes coaxiaux (4, 5) appartenant à la colonne immergée (9) et qui présentent, re v ctivemEnt, une fente longitudinale (41, 51), lesdites fentes s'étendant sous différentes inclinaisons ou étant orientées de façon différente et formant une embouchure (100) à l'endroit d'intersection. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande de température est constituée par un soufflet (60) qui se trouve directement ou indirectement en contact thermique avec le milieu de passage et est rempli d'un liquide réfrigérant, et en ce qu'il agit sur un ressort de compression (66) par l'intermédiaire d'une tige dentée (65) qui engrène par ses dents avec une denture d'un des deux tubes (4 ou 5). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande dépendant de la température est composée d'un soufflet (70) ou de plusieurs soufflets, qui sont reliés avec des détecteurs (72) par l'intermédiaire de tubes capillaires et exercent une influence sur la position angulaire mutuelle des tubes (4 ou 5) en intercalant des tiges dentées, des disques excentriques, et des éléments de transmission du type clavette ou à transmission par torsion. 4. Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le tube externe (4) peut tourner dans son appendice (3) après relâchement de sa fixation. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande de température est constituée par un dispositif automatique dépendant de la température et par un engrenage réversible qui agit directement ou par l'intermédiaire d'un mécanisme de transmission sur la position angulaire mutuelle des tubes (4 ou 5).