Brevet FR2545529A1 — publié le 19841109

DISPOSITIF POUR ENFONCER DANS LE SOL UNE SONDE-COLLECTEUR GEOTHERMIQUE L'invention concerne un dispositif pour enfoncer dans le sol une sonde utilisable comme collecteur géothermique d'une pompe à chaleur, comportant au moins un tube extérieur dont l'extrémité inférieure porte une tête de refoulement de terre, et l'extrémité supérieure une tête de foreuse démontable, actionnée par une foreuse et un tube interieur. Il est connu d'enfoncer dans le sol des sondes QÙ le tube extérieur et la tête de refoulement de terre ont une structure intégrée et compacte, avec un refoulement latéral de la terre (brevet DE 2 952 593, DE-OS 2 947 837). Le tube intérieur est monté dans le tube extérieur avec écartement, et le milieu de transfert calorifique est introduit dans la sonde à travers le tube extérieur, au voisinage de la tête de refoulement de terre et renvoyé entre les tubes intérieur et extérieur. Pour le refoulement complet nécessaire de la terre lors de l'enfoncement de la sonde, il faut disposer, en particulier dans le cas des sols rés-istants, de forces de poussée élevées et donc de parois épaisses pour le tube extérieur.La durée d'enfoncement n'est pas négligeable et le diamtre extérieur du tube extérieur est fortement limité, car dans le cas de diamètres élevées, la force de pénétration nécessaire, et donc le dispositif de forage, sont trop grands et trop coûteux. Pour enfoncer des collecteurs de puits où l'eau souterraine est évacuée par une pompe, il est commun d'utiliser des foreuses du type habituel. Dans ce qu'on appelle des noyaux à percussion ("Brunnenbau, Bau von Wasserwerk, Rohrleitungsbau", n" 7/1982, pages 254, 255, brevet FR 1 108 485), sn connalt des dispositifs pour recevoir et transmettre l'immense pression (brevet US 3 515 230) ainsi que des trépans (brevets DE 333 624, CH 183 137) à l'extrémité de tête -des foreuses, où des orifices en forme de fentes ou autres peuvent être prévus sur le corps de foreuse pour la pénétration et l'évacuation du liquide (brevet US 2 860 854).On connaît en outre des tubes de forage à noyau pour prélever des échantillons de roche et de sol, dans lesquels est disposée une gaine intérieure amovible (DE-OS-2 914 977), ainsi que des volets d'arrêt à l'extrémité inférieure du tube (brevets DE 857 032, GB 499 126), grâce à quoi la matière centrale ne reste pas en arrière lors de son enlèvement. L'invention a pour objectif de proposer un dispositif qui permette d'effectuer des forages de forme stable dans des sols de natures variées (dur, meuble, argileux, sablonneux), même avec un diamètre élevé, avec une dépense relativement faible en force et en durée, afin d'y introduire des sondes servant de collecteur geothermique pour une pompe a chaleur. A cet effet, l'invention propose un dispositif caractérisé en ce que la tête de refoulement de terre est conçue sous la forme d'un trépan annulaire avec un passage central, et que le tube intérieur présente un diamètre intérieur correspondant au diamètre du passage central du trépan ou légèrement supérieur à celui-ci, et qu'il est disposé dans le tube exté- rieur de façon amovible. Grâce à la structure creuse, il n'est nécessaire, lors de l'enfoncement dans le sol, de déplacer qu'une partie de forme annulaire vers l'extérieur, tandis que le tube intérieur reçoit un noyau en s'enfonçant. Par le fait que le tube intérieur est monté de façon amovible dans le tube extérieur, ce noyau peut être facilement enlevé en commun avec le tube intérieur. Cela peut s'effectuer plusieurs fois si nécessaire pendant l'enfoncement, afin de réduire les forces nécessaires. Après l'enlèvement du tube intérieur, les pièces nécessaires pour le collecteur géothermique peuvent être introduites dans le tube extérieur qui reste dans le sol. Le trépan et éventuellement le tube extérieur peuvent être rendus étanches et munis d'un tube intérieur, à travers lequel alors un milieu de transfert calorique liquide ou gazeux peut être introduit et évacué. Du fait que le tube intérieur est muni, au niveau de son extrémité inférieure, d'un volet d'arrêt qui permet un passage de la terre ou autre par le passage central du trépan et l'arrête dans la direction opposée, le noyau, immobile pendant l'enfoncement, peut être éliminé simplement et en sécurité meme dans le cas d'un sol meuble, de sable et de gravier. Un volet d'arrêt de ce type est monté de préférence pivotable dans une découpe du tube intérieur, la longueur du volet d'arrêt étant supérieure au diamètre intérieur du tube intérieur. Ainsi, lors du passage de la terre ou autre à l'intérieur du tube interne, le volet d'arrêt peut se replier vers le h haut puis, en reprenant sa position, empêcher la terre de ressortir. Le volet d'arrêt peut être constitué à un faible coût d'un matériau en barre plane.Il peut être également prévu plusieurs volets d'arrêt répartis dans la section, dans la zone inférieure du tube interne, afin d'empêcher que meme des matières particulièrement fines, fluides ne puissent ressortir. Comme le tube intérieur peut être enlevé, puis réutilisé, il est préférable qu'il soit composé de plusieurs sections tubulaires reliées entre elles de façon amovible, de façon que même des sondes de longueurs tres variées puissent être enfoncees dans le sol avec un faible coût. L'utilisation de filetages plats permet un montage facile et amovible des sections tubulaires entre elles Etant donné que le trépan présente une section en forme de coin avec la lame dirigée vers le bas, où le passage central peut avoir une forme cylindrique ou conique légèrement évasée vers le haut, les forces d'enfoncement dans le sol nécessai res sont relativement faibles. Grâce à la surface extérieure inclinée, la terre est légèrement déplacée vers l'extérieur, pendant qu'un noyau immobile peut se glisser à l'intérieur du tube interne par le passage central, sans risque de coincement. Par une conception particulièrement simple, le trépan présente sur sa face supérieure, opposée à la lame, une rainure annulaire pour recevoir les tubes intérieur et extérieur. Une fixation spéciale des tubes dans la rainure n'est pas néces s aire. La structure permet de concevoir également des sondes d'un plus grand diamètre. Ainsi, par exemple, le tube extérieur peut mesurer 150 mm (6 pouces) et le tube intérieur 125 mm (5 pouces) ; de sorte que pour introduire un tube intérieur qui a éte enlevé, de diamètre suffisant, il faut disposer par exemple d'une pompe immersible. D'autres avantages et modes de réalisation de l'invention apparaitront dans la description ci-après. La figure unique annexée représente une coupe longitudinale du dispositif au stade prêt à l'enfoncement. Le mode de réalisation représenté comporte une tête de foreuse 1 en acier durci, montée sur un tube extérieur 2 et un tube intérieur 3. Les tubes 2 et 3 sont disposés entre la tête 1 et un trépan annulaire 4 de diamètre à peu près correspondant. Le trépan 4 présente une section en forme de coin avec un passage central 5 qui peut être cylindrique comme représenté, ou légèrement cônique s'évasant vers le haut. Le passage 5 et une surface extérieure oblique forment en commun une lame 7 circulaire dirigée vers le bas. Sur la face supérieure du trépan 4, opposée à la lame 7, il est prévu une rainure cir cul aire 8 dans laquelle les tubes 2 et 3 se placent librement. Afin que de petites pierres puissent être également refoulées ou broyées sans dégats, lors de l'enfoncement d'une sonde de ce type, le trépan 4 est constitué par un matériau dur, de préférence de l'acier durci au moins en surface. Pour assurer une réception appropriée du tube extérieur 2, la tête de foreuse 1 est pourvue d'un décrochement circulaire 9 et présente en outre un orifice 10, destiné à recevoir de façon très ajustée une calotte d'extraction 11 qui est vissée sur un filetage plat 12 se trouvant sur l'extrémité supérieure du tube intérieur 3 La calotte 11 présente un bord 13 circulaire, faisant saillie vers 1 'intérieur, qui délimite un orifice de passage 14 qui correspond à peu près à un orifice de passage 15 de la tête 1. Le bord 13 en saillie permet une extraction aisée du tube intérieur 3 constitue éventuellement de plusieurs sections tubulaires 3'.Pour assurer un montage et un démontage faciles, les sections tubulaires 3' sont également reliées entre elles par un filetage plat 12' ce qui permet de composer un tube intérieur 3 de la longueur souhaitée. A l'extrémité inférieure du tube intérieur 3 se trouve dans une découpe 16 de la paroi, un volet d'arrêt 18 monté pivotable sur un goujon 17 soudé. La longueur du volet 18 est quelque peu supérieure au diamètre intérieur du tube intérieur 3, de sorte que le volet peut se relever sous la poussée de la terre pénétrant suivant la flèche 9, mais empêche que cette terre déplacée ou tout un noyau déplace ne ressortent de l'intérieur du tube lors de l'extraction du tube intérieur 3. Pour des matières plus fines, plusieurs volets d'arrêt 18 peuvent être répartis sur la circonférence, mais le volet 18 peut être aussi complètement supprimé lors que la sonde est enfoncée dans un sol humide, argileux. La sonde est enfoncée dans le sol dans la structure représentée, au moyen d'un dispositif de forage non représenté, par poussées successives ou, dans le cas- d'un sous-sol léger, en continu. Pour des sous-sols plus durs, avec une sonde plus longue, le tube intérieur 3 peut être retiré plusieurs fois et le noyau déplacé peut être enlevé a chaque fois, afin de faciliter ainsi la pénétration du trépan 4 à faible coût, et d'élever la capacité de forage. Pour l'utilisation comme collecteur géothermique, après enfoncement, la tête 1 et le tube intérieur 3 sont enlevés avec la calotte 11, et il est introduit alors par exemple une pompe immersible pour le pompage de l'eau souterraine à l'in térieur du tube extérieur 2, jusque sous le trépan 4. Pour faciliter le refoulement de l'veau souterraine, des orifices ayant de préférence la forme de fentes 20 peuvent être répartis sur la circonférence9 au moins dans la zone inférieure du tube extérieur 2. Dans le cas d'une utilisation simple du tube extérieur 2 comme échangeur thermique, le tube extérieur 2 est rendu étanche, en particulier dans la zone inférieure du trépan 4, et il est introduit alors un tube intérieur central à travers lequel un milieu de transfert calorique peut, de manière connue, affluer et s'évacuer entre le tube extérieur 2 et le tube intérieur 3, tout en réalisant un échange termique avec l'environnement de la sonde.- Pour une installation de pompe à chaleur, plusieurs sondes peuvent être enfoncées ainsi dans le sol, afin de couvrir un volume aussi élevé que possible pour l'échange énergétique. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour enfoncer dans le sol une sonde utilisable comme collecteur g géothermique d'une pompe b chaleur, comportant au moins un tube extérieur (2) dont l'extrémité inférieure porte une tête de refoulement de terre, et l'extrémité supérieure une tête de foreuse (1) démontable actionnée par une foreuse,et un tube intérieur (3), dispositif caractérisé en ce que la tête de refoulement de terre est conçue sous la forme d'un trépan annulaire (4) avec un passage (5) central, et que le tube intérieur (3) présente un diamètre intérieur correspondant au diamètre du passage (5) central du trépan (4) ou légèrement supérieur à celui-ci, et qutil est disposé dans le tube extérieur (2) de façon amovible. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube intérieur (3) comporte, au voisinage de son extrémité inférieure, un volet d'arrêt (18) qui permet le passage de la terre ou autre depuis le passage central (5) du trépan (4) dans le tube intérieur (3) et interdit la sortie de terre ou autre du tube intérieur (3) en direction opposée. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le volet d'arrêt (18) est monté pivotable dans une découpe (16) du tube intérieur (3) et que la longueur du volet d'arrêt (18) est supérieure au diamètre intérieur du tube intérieur (3). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le volet d'arrêt (18) est monté pivotable sur un goujon (17) soudé dans la découpe (16). 5. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube intérieur (3) se compose de plusieurs sections tubulaires (3') reliées entre elles de façon amovible. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les sections tubulaires (3') sont reliées entre elles de façon amovible au moyen de filetages plats (12, 12'). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le trépan (4) présente une section en forme de coin avec des lames (7) dirigées vers le bas, son passage central (5) ayant une forme cylindrique ou légèrement cônique s'élargissant vers le haut. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le trépan (4) présente sur sa face supérieure, opposée à la lame (7), une rainure (8) annulaire pour le tube extérieur (2) et le tube intérieur (3). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que sur l'extrémité supérieure du tube intérieur (3) est disposé une calotte d'extraction (11) portée par la tête de foreuse (1) 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la calotte d'extraction (11) comporte un bord intérieur (13) circulaire, qui fait saillie dans le diamètre intérieur du tube intérieur. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le tube extérieur (2) et le trépan (4) peuvent être mis en oeuvre, de façon à pouvoir être relâchés après la pénétration dans le sol, et le tube intérieur (3) est introduit de façon démontable dans le tube extérieur (2) qui comporte aussi une garniture de sonde. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le tube extérieur (2) comporte au moins, dans sa zone inférieure, des passages, de préférence des fentes (20) pour l'eau souterraine. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le tube extérieur (2) est un tube de 150 mm (6 pouces) et le tube intérieur est un tube de 125 mm (5 pouces).