Brevet FR2561720A1 — publié le 19850927

Pompe à chaleur à double cycle de Rankine à membranes. L'invention concerne les pompes à chaleur à double cycle de Rankine, parfois dénommées simplement pompes à chaleur Rankine, et dans lesquelles on utilise une chaudière a combustible approprié travaillant à une température supérieure à la température d'utilisation, un condenseur fournissant des calories à la température d'utilisation, et un évaporateur absorbant des calories fournies par une source extérieure à une température inférieure a la température d'utilisation, l'ensemble étant équivalent à une machine à vapeur travaillant entre la chaudière et le condenseur et fournissant l'énergie mécanique à une pompe à chaleur travaillant entre l'évaporateur et le condenseur, lequel peut être séparé ou etre le méme que le condenseur de la chaudière lorsqu'on utilise un fluIde unique.L'installation comprend en outre une pompe élevant la pression du liquide sortant du condenseur jusqu a celle de la chaudière pour refermer le cycle. I1 est connu en particulier par de nombreuses études et publications que de telles pompes à chaleur a double cycle de Rankine peuvent fonctionner avec des pistons libres pour transformer directement l'énergie fournie par le cycle de machine à vapeur en énergie de compression du cycle de pompe a chaleur proprement dit, ou en énergie de pompage du liquide vers la chacun dière. En effet, l'emploi d'un ou de plusieurs pistons libres permet une grande simplification mécanique par rapport aux groupes rotatifs et une excellente étanchéité vis-à-vis de l'extérieur, mais avec an contre partie un problème délicat à résoudre qui est celui de l'étanchéité propre des pistons dans leur cylindre, l'emploi d'un fluide de travail, généralement du fréon, à haute pression et à haute température excluant la présence de lubrifiant. I1 en résulte habituellement une double perte d'énergie mécanique, par frottements et par fuites de fluide, et une usure non négligeable nécessitant une maintenance fréquente. Le but de l'invention est d'éliminer les inconvénients précédents en conservant les avantages de simplicité des pistons libres, mais en supprimant completement les frottements et l'usure correspondante, ainsi que les fuites internes et externes malgré l'absence de lubrification. L'invention consiste à réaliser un empilement de dispositifs à membrane à double effet, une ou un petit nombre de ces dispositifs fonctionnant en moteur entre la chaudière et le condenseur, moyennant une distribution commandée appropriée, tandis que le plus grand nombre restant des dispositifs à membrane fonctionne en compresseur en étant couplés en parallèle ou en sérieparallèle entre l'évaporateur et le condenseur, avec clapets d'admission et de refoulement automatiques, les diverses membranes de l'empilement étant accouplées mécaniquement par un axe central qui les traverse. L'étanchéité au passage de cet axe entre les divers éléments est de préférence assurée au moyen de soufflets déformables. D'autres particularités de l'invention apparattront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation pris comme exemple et représenté sur le dessin annexé, sur lequel la figure 1 est une coupe axiale d'un des éléments de compression; la figure 2 représente à plus grande échelle le détail de réalisation de la partie centrale de cet élément; la figure 3 est le schéma général de l'installation; et la figure 4 représente une variante à compression progressive. Comme on le voit sur les figures 1 et 2, chaque élément de compresseur comprend essentiellement une membrane circulaire 1 étanche, souple et déformable, pincee au voisinage de sa région centrale entre deux disques rigides 2 assemblés au moyen de rivets 3, visible sur la figure 2, tandis que la périphérie de la membrane 1 est pincée entre deux flasques 4 constituant une partie fixe. Le fluide de travail utilisé étant du fréon, la membrane 1 doit être réalisée en un matériau résistant au fréon, dans la gamme de température utilisée, et offrant une élasticité suffisante ou des possibilités de préformage de plis circulaires concentriques pour faciliter la déformation à partir du plan. A titre d'exemple, on peut utiliser du métal en feuille mince, du polytétrafluoréthylène en feuille ou encore un matériau composite à base de fibres de verre et d'un liant polymérisable. Tout à la fois pour réduire le volume mort et limiter volontairement les déformations possibles de la membrane 1, chacun des flasques 4 comporte une empreinte en creux avec une partie plane 5 apte à recevoir le disque 2 correspondant, et une partie tronconique 6 dont l'angle à la base est limité à la valeur de la déformation permise pour la membrane sans entraîner de contrainte exagérée susceptible de cisailler la membrane à sa périphérie extérieure ou intérieure. Cet angle est en général voisin de 250. Pour assurer l'entratnement du double disque 2, on utilise un arbre 7 à mouvement exclusivement axial et qui traverse tout l'empilement. Chaque élément comprend un manchon 8 sur lequel est soudé, au milieu de sa longueur, un petit disque rigide 9 sur lequel s'assemblent les deux disques 2 au moyen d'autres rivets 10. En outre, pour assurer l'étanchéité de la partie centrale, on utilise deux soufflets 11 disposés de part et d'autre du petit disque 9 et comportant un bord 12, pincé entre le disque 9 et le disque 2 correspondants, au moyen des rivets 10, et à l'autre extrémité, un bord semblable 13 pincé entre le flasque 4 correspondant et une couronne d'assemblage 14 qui comporte en son centre un orifice 15 pour le passage de l'arbre 7.Ces soufflets 11 sont également réalisés à l'aide d'un matériau souple résistant au fréon et qui peut être le même que celui de la membrane. La fixation du manchon 8 sur l'arbre 7 a lieu par tous moyens appropriés, par exemple à l'aide de circlips 16 avec éventuellement des rondelles 17 de calage et d'ajustement. Chaque élément ainsi constitué est à double effet, c'est-à-dire que les deux volumes 18 et 19 ainsi refermés par les flasques, la membrane et les soufflets, servent alternativement l'un pour l'aspiration et l'autre pour la compression, et inversement. Chaque élément comporte donc au minimum deux clapets d'aspiration 20 et deux clapets de refoulement 21 qui peuvent avantageusement être formés par une partie tronconique en polytétrafluoréthylène, destinée à porter sur un siège tronconique de meme forme du flasque 4 correspondant, cette partie étant prolongée par une patte latérale flexible 22.Les deux conduits d'aspiration 23 débouchent avantageusement dans un tronçon de conduit collecteur unique 24, parallèle à l'axe de l'arbre 7, et qui permet le raccordement direct des deux flasques 4 de chaque élément, et de chaque élément avec le suivant, au moyen de joints non représentés, l'ensemble de l'empilement étant resserré à l'aide de tiges filetées d'une manière classique. De la même façon, les conduits de refoulement 25 sont réunis par un tronçon de conduit collecteur de refoulement-longitudinal 26 raccordé de la même manière avec ceux des autres éléments. On obtient ainsi un raccordement en parallèle des divers éléments du simple fait de leur empilement. En effet, étant donné que, comme on -l'a vu, l'angle à la base du tronc de cône 6 est limité à environ 250, et comme d'autre part, le diamètre de la membrane doit rester dans le domaine des valeurs raisonnables, la valeur voulue du volume de gaz déplacé à chaque aller-retour de l'arbre 7 s'obtient de préférence en assemblant un nombre suffisant de dispositifs identiques montés sur le même arbre 7 et assemblés à l'aide des mêmes tiges. Pour actionner l'ensemble de compression ainsi réalisé, on place à au moins une extrémité de l'ensemble un dispositif moteur formé d'un petit nombre et le plus souvent d'un seul élément à membrane de conception identique à l'élément compresseur, mais dont les clapets automatiques d'aspiration et de refoulement sont remplacés par une distribution commandée par tous moyens appropriés.En particulier, il est recommandé d'utiliser une distribution pilotée par un détecteur de perte de charge du type décrit dans la demande de brevet français déposée conjointement par la demanderesse pour "Pompe à chaleur à double cycle de Rankine à pistons libres." La différence de pression entre la chaudière et le condenseur étant de beaucoup supérieure à la différence de pression entre le condenseur et l'éva- porateur, la membrane de l'élément moteur ou de chaque élément moteur est de préférence renforcée. Par ailleurs, les débits étant beaucoup plus faibles, non seulement un utilise un nombre plus réduit d'éléments, mais dans certains cas, il est également nécessaire d'utiliser un diamètre d'élément plus faible.Toutefois, dans la mesure du possible, on peut ff s'efforcer pour l'élément moteur un élément identique aux éléments de compresseur, mis à part le renforcement de la membrane et les conduits d'aspiration 24 et de refoulement 26 qui ne sont pas débouchés axialement, mais débouchent perpendiculairement à 1a périphérie. Cela permet de fabriquer tous les éléments, les membranes, les soufflets, les clapets et les disques de jonction, ainsi que les flasques 4, qui peuvent avantageusement être moulés en alliage léger, en une seule ou en un petit nombre de dimensions, permettant ensuite de satisfaire à des installations de puissance calorifique très différentes en jouant seulement sur le choix des éléments et sur leur nombre, tant pour la partie moteur que pour la partie compresseur. A titre d'exemple, on a representé sur la figure 3 une installation comportant un seul élément moteur et sept éléments compresseurs montés en parallèle. A titre de variante, il est également possible, comme représenté sur la figure 4, de profiter du nombre des éléments compresseurs pour les diviser en un certain nombre de groupes, 28,29 et 30, chaque groupe comportant un nombre décroissant d'éléments, respectivement quatre, deux et un, par exemple, montés en parallèle, tandis que les divers groupes sont montés en série pour améliorer le rendement de compression par une compression progressive. L'invention permet ainsi d'assurer une étanchéité parfaite, tant interne qu'externe, de réduire les frottements mecaniques au simple guidage de l'axe, d'où une usure pratiquement nulle, et de présenter une résistance mécanique parasite réduite à celle des membranes et soufflets, donc faible. En outre, la réalisation mécanique est très simplifiée par éllmination des problèmes d'alésage et de surfaçage des pièces coulissantes habituelles et par standardisation des éléments moulés ou emboutis de courts relativement faibles. Par ailleurs, comme on l'a vu, les mêmes éléments permettent d'adapter facilement la puissance par assemblage d'un nombre variable d'éléments, avec une grande facilité de réparation partielle par remplacement rapide de l'élément défectueux. Enfin, l'absence de frottement conduit à un fonctionnement plus silencieux que les dispositifs habituels. REVENDICATIONS 1. Pompe à chaleur à double cycle de Rankine, à fluide unique et à circuit unique, comportant une chaudière, un évaporateur et un condenseur communs aux deux cycles, avec une pompe alimentaire alimentant la chaudière en liquide à partir du condenseur, et un groupe moteur-compresseur, caractérisée par le fait que le groupe moteur-compresseur est constitué par un empilement d'éléments à membrane accouplés par un arbre (7) à déplacement alternatif axial, un ou un petit nombre de ces éléments fonctionnant en moteur en étant alimenté par un dispositif de distribution approprié entre la chaudière et le condenseur, tandis que le plus grand nombre des autres éléments est raccordé en parallèle ou en série-parallèle entre l'évaporateur et le condenseur et fonctionne en compresseur en étant muni de clapets automatiques d'aspiration (20) et de refoulement (21), chaque élément étant constitué sous la forme d'une unité empilable et interchangeable. 2. Pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chaque élément est constitué par deux flasques (4) comportant une empreinte intérieure tronconique (5,6), la membrane comportant dans la région du centre un double disque rigide (2) fixé sur un manchon (8) percé d'un passage pour le montage et la fixation de l'arbre commun (7), l'étanchéité de cette partie centrale étant assurée par deux soufflets (11) raccordés chacun de manière étanche sur un flasque (4) et sur le double disque central (2). 3. Pompe à chaleur selon une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que chaque flasque (4) comporte des tronçons de collecteur d'aspiration (24) et de refoulement (26) parallèles à l'axe (7) et permettant un raccordement en parallèle des divers éléments du simple fait de l'empilement de ces éléments et par de simples joints. 4. Pompe à chaleur selon la revendication 2, caractérisée par le fait que l'angle à la base du tronc de cône (6) constituant chaque empreinte de flasque (4) est limité à une valeur d'environ 250.