Brevet FR2581739A1 — publié le 19861114

L'invention concerne un appareil de climatisation avec pompe à chaleur, pour le chauffage et le refroidissement de locaux fermés, cet appareil étant en communication aussi bien avec l'air du local qu'avec l'air extérieur. Par la demande de brevet allemand DE- 32 27 643, on connaît un système d'énergie domestique qui, utilisant le principe de Stirling, provoque, au moyen d'un piston déplaceur accomplissant un mouvement périodique entre les points morts, le passage dans des sens alternés, par un régénérateur thermique, du gaz de travail enfermé dans un cylindre de travail. Par apport de chaleur, l'extrémité chaude du cylindre est chauffée à une haute température. L'autre extrémité est refroidie à une basse température. Deux soupapes anti-retour relient l'extrémité dite "froide" du cylindre de travail à deux récipients de pression dans lesquels la pression maximale et minimale du système est maintenue de manière stationnaire. Le gaz de travail dans ces récipients de pression est utilisé soit pour fournir du travail de détente mécanique, soit pour conduire un processus frigorifique régénératif susceptible d'opérer aussi bien en pompe à chaleur qu'en installation de climatisation. Dans cette installation, il s'agit d'un système dans lequel de l'énergie de chauffage primaire est convertie en énergie de pression, cette énergie étant utilisée pour la production de courant et pour entraîner des pompes à chaleur et appareils de refroidissement. Pour l'utilisation en tant qu'appareil de climatisation de locaux individuels fermés, ce système est trop compliqué, trop onéreux et trop encombrant. La présente invention a pour but de réaliser un appareil de climatisation du genre mentionné au début, convenant pour l'équipement individuel de locaux, chauffant avec une consommation d'énergie primaire aussi faible que possible, et permettant une marche de refroidissement sans dépense d'appareillage supplémentaire. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la pompe à chaleur est réalisée sous la forme d'une pompe Stirling à piston libre, par le fait que cette pompe à chaleur est entraînée par une machine à mouvement oscillant, par le fait que l'appareil de climatisation possède des canaux séparés pour l'air sortant et l'air frais, et par le fait que cet appareil de climatisation est équipé, pour la sélection du mode de fonctionnement (refroidissement ou chauffage), de moyens pour modifier le trajet et/ou le sens d'écoulement de l'air. Parmi les différentes formes de réalisation possibles, l'invention prévoit notamment que: - la machine d'entraînement de la pompe à chaleur à piston libre, du type Stirling, est un moteur Stirling à piston libre chauffé au gaz, et des volets manoeuvrables manuellement sont prévus pour la sélection du mode de fonctionnement; - la machine pour entraîner la pompe à chaleur à piston libre, du type Stirling, est un moteur électrique linéaire utilisé à la fréquence du réseau, et, pour le choix du mode de fonctionnement, il est prévu un ventilateur dont le sens de rotation peut être changé; - une gaine d'évacuation particulière est présente pour les gaz résultant de la combustion servant à chauffer le moteur Stirling à piston libre; - la chaleur de déperdition du moteur Stirling et la chaleur pompée par la pompe à chaleur à piston libre sont amenées, par des tôles de conduction thermique ou par des ailettes de refroidissement, dans un canal de passage d'air particulier; - l'échangeur d'absorption de chaleur de la pompe à chaleur est conçu de manière qu'il n'y ait pas de refroidissement d'air en dessous de +3 C, même en marche continue; - un thermostat situé dans le local est affecté au moteur linéaire pour la régulation de tension ou pour la mise en/hors circuit de ce moteur linéaire; - un capteur de température est associé à la partie froide d'absorption de chaleur de la pompe à chaleur; - un commutateur à plusieurs échelons est affecté au ventilateur, pour régler la vitesse de rotation de celui-ci; et - le changement de sens de rotation du ventilateur est commandé par le thermostat du local. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus complètement dans la description présentée ci-après, à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux dessins annexés dont les figures représentent schématiquement: - la figure 1, un appareil de climatisation avec moteur Stirling à piston libre chauffé au gaz, dans le mode "refroidissement", de l'air frais étant amené; - la figure 2, un schéma synoptique du flux d'énergie dans la condition refroidissement des locaux", selonlarfigure 1; - la figure 3, l'appareil de climatisation selon la figure 1, dans. le mode de fonctionnement "chauffage", de l'air frais étant amené; - la figure 4, un schéma synoptique du flux d'énergie dans le cas du chauffage des locaux, selon la figure 3; - la figure 5, l'appareil de climatisation selon la figure 1, dans le mode de fonctionnement "chauffage" sans pompe à chaleur et sans amenée d'air frais; - la figure 6, un appareil de climatisation avec entraînement par moteur électrique linéaire, le fonctionnement étant en mode "refroidissement"; - la figure 7, un schéma synoptique du flux d'énergie dans le cas du refroidissement de locaux selon la figure 6; et la figure 8, un schéma synoptique du flux d'énergie dans le cas du chauffage de locaux. Des unités Stirling sont connues en soi. Une telle unité se compose d'un moteur Stirling à piston libre et d'une pompe à chaleur à piston libre, du type Stirling, qui est couplée à ce moteur. Moteur et pompe se trouvent dans un carter fermé entièrement étanche. Le moteur et la pompe à chaleur sont couplés l'un à l'autre par un piston de travail qui agit indirectement sur le déplaceur concerné du moteur et de la pompe à chaleur. Avec un échauffement à, par exemple, 700 C d'un côté de l'unité et un refroidissement à environ 60 C au milieu, les deux déplaceurs et le piston de travail oscillent avec à chaque fois un déphasage d'environ 90 , ce qui a pour effet que l'autre extrémité de l'unité se refroidit, à savoir à environ +5 C dans le présent exemple. Sur les figures 1 à 5, on a représenté schématiquement la configuration de l'appareil de climatisation constitué d'un moteur Stirling 10 à piston libre et d'une pompe de chaleur Sirling 10a, à piston libre, pour chauffer et refroidir des locaux individuels par échange d'air, cet appareil pouvant remplacer les climatiseurs de fenêtre utilisés jusqu'à présent, lesquels demandent de l'énergie électrique pour le refroidissement des locaux et demandent toutefois un courant électrique supplémentaire pour le chauffage de ceux-ci. Par contre, l'appareil de climatisation proposé ici n'exige plus d'énergie primaire supplémentaire pour le chauffage et est commandé par la manoeuvre de volets 14, 15 pour passer du chauffage au refroidissement, et inversement. Ainsi, par exemple 1 kW d'energie mécanique provenant du moteur Stirling fournit une puissance de chauffage de 6 kW avec un coefficient de chauffage de 1,5 rapporté au combustible, ou une puissance de refroidissement de 2 kW avec un coefficient de performance de 0,5 rapporté au combustible. Les figures 1 et 2 illustrent le mode de fonctionnement "refroidissement avec pompe à chaleur". Transporté par le ventilateur 11, l'air 16 provenant du local est utilisé pour refroidir le moteur Stirling à piston libre 10 et pour l'évacuation de la chaleur pompée de l'air frais. Une quantité correspondante d'air frais refroidi 17 s'écoule vers le volume intérieur. Les positions que les volets 14 et 15 occupent pour cette condition de fonctionnement ont pour effet, en combinaison avec le tracé des canaux, que l'air extrait. 16 et l'air frais 17 ne sont pas mélangés l'un à l'autre. Les gaz de combustion engendrés par le brûleur à gaz 12 sont évacués par une gaine d'évacuation particulière 13. L'oxygène nécessaire à la combustion est prélevé à l'air sortant non échauffé. Les figures 3 et 4 du dessin illustrent schématiquement le mode de fonctionnement "chauffage avec pompe à chaleur". Cette fois, le ventilateur 11 transporte l'air frais 17 dans le local. Cet air frais 17 est chauffé deux fois, à savoir une fois par absorption de la chaleur que la pompe à chaleur à piston libre 1Oa a prélevée dans l'air sortant 16 et de la chaleur de déperdition du moteur Stirling à piston libre , laquelle est amenée, par des tôles de conduction thermique ou ailettes de refroidissement, dans le canal de passage d'air 19 et, une deuxième fois, par transfert, via l'échangeur de chaleur 20, de chaleur provenant de l'air de combustion. L'air de combustion est ensuite évacué à l'extérieur par la gaine d'évacuation 13. Dans le cas présent, le brûleur à gaz 12 trouve l'oxygène nécessaire directement dans l'air frais non chauffé 17. L'air frais 17 insufflé et chauffé refoule du local une quantité correspondante d'air sortant 16, sans se mélanger avec cet air 16. Pour éviter la formation de givre, l'échangeur d'absorption de chaleur de la pompe à chaleur 10a, du type Stirling à piston libre, est conçu de façon que l'air sortant 16 ne se refroidisse pas en dessous de +3 C, même en cas de marche permanente. La figure 5 illustre le fonctionnement en mode "chauffage sans pompe à chaleur". Dans ce cas, le ventilateur 11 aspire hors de l'intérieur du local l'air sortant 16. Les vannes 14 et 15 se trouvent à la position fermée pour ce qui est de l'amenée d'air frais. L'air sortant aspiré 16 est chauffé par la chaleur de déperdition du moteur Stirling à piston libre 10 et, sur l'échangeur de chaleur 20, par transfert de chaleur venant de l'air de combustion, et retourne dans le local. Par contre, l'air extérieur ne parvient que de manière très limitée à la partie froide de la pompe à chaleur 1Oa qui peut ainsi se couvrir de givre. Il en résulte que le moteur Stirling à piston libre 10 passe à la marche à vide. Les gaz de combustion refroidis sont là encore évacués par la gaine d'évacuation séparée 13. Le mode de fonctionnement décrit ici convient particulièrement bien pour le chauffage préliminaire rapide de locaux sous-refroidis. La figure 6 illustre une réalisation de l'appareil de climatisation, différente de ce qui est représenté sur les figures 1 à 5. Cette réalisation comporte un entraînement par moteur linéaire électrique et un tracé simplifié des passages d'air, les flèches d'écoulement représentées étant valables pour le fonctionnement en mode "refroidissement avec pompe à chaleur". Le moteur électrique linéaire 31 ou des parties de celui-ci, et la pompe à chaleur Stirling, à piston libre, 30 se trouvent ensemble dans un carter fermé rempli, par exemple d'un gaz de travail constitué par de l'hélium sous une pression de 10 bars. Entraîné par le moteur linéaire 31, le piston de travail de la pompe à chaleur 30 actionne le déplaceur de celle-ci, cette pompe ne comportant que deux pièces mobiles qui sont déplacées linéairement, presque sans frottement, entre des coussins de gaz. Le carter de la pompe à chaleur 30, du type Stirling à piston libre, est doté d'une surface agrandie par des ailettes lob, pour l'échange de chaleur avec l'air. S'il s'agit de refroidir un local, le ventilateur 2 actionné électriquement aspire de l'air de ce local, comme indiqué par les flèches sur la figure 1. Sur son trajet allant à l'air libre, cet air venant du local passe par la pompe à chaleur 30 à piston libre, du type Stirling, située sur son canal d'écoulement 36, et passe par le moteur linéaire 31, captant ainsi la chaleur dissipée par cette pompe et ce moteur. La quantité correspondante d'air frais s'écoule, par le canal 37, en direction du local et, ce faisant, se refroidit sur la partie froide 30a de la pompe à chaleur. Ce processus s'effectue de façon telle que l'air sortant et l'air frais ne se mélangent à aucun moment de l'échange dans l'appareil de climatisation. Lors du refroidissement, l'air frais perd son humidité, et l'eau de condensation produite est soit évacuée à l'extérieur, soit collectée, par exemple en région tropicale. La puissance de refroidissement est régulée par un thermostat 34 dans le local. Cela peut s'effectuer, par exemple, de manière telle que ce thermostat modifie la tension électrique au moteur linéaire 31 ou met celui-ci en ou hors circuit lorsqu'une certaine valeur est atteinte. De plus, un capteur de température 35 agencé sur la partie froide a de la pompe à chaleur du type Stirling à piston libre, 30, est associé au thermostat 34 et évite le passage en dessous d'un point de congélation. Ainsi, le refroidissement maximal est fixé à, par exemple, +5 C à l'entrée d'air froid. Cela signifie que l'air sortant ne peut alors pas se refroidir en dessous de 5 C. Une régulation de la quantité d'air passant par le ventilateur 32 n'est pas nécessaire en soi. En variante, elle peut toutefois être avantageuse si le débit d'air est régulé par un commutateur à plusieurs échelons 38. S'il s'agit de chauffer le local, on change simplement le sens de rotation du ventilateur 32. Si l'on considère la figure 6 du dessin, les flèches d'écoulement tracées correspondent exactement à la direction opposée. Là encore, cela est commandé par le thermostat 34 du local. Bien entendu, une commutation manuelle est possible. Le ventilateur 32 pousse alors dans le local de l'air frais qui absorbe alors la chaleur de dissipation venant du moteur linéaire 31 et de la pompe à chaleur, à piston libre, du type Stirling, 30. Correspondant à l'air frais arrivant, la quantité d'air du local parvient, sous forme d'air sortant, via le canal 37, à l'extérieur et cède alors, sur la partie froide 30a de la pompe à chaleur, sa chaleur qui est pompée pour le processus de chauffage. A cet égard, voir aussi les figures 7 et 8. On a ainsi réalisé un appareil de climatisation qui, notamment pour le chauffage de locaux individuels, 2581739' est très économique à fabriquer et entretenir, et opère fiablement et qui est doté d'une grande longévité sans nécessiter d'entretien puisque l'ensemble de l'installation ne présente que deux pièces mobiles déplacées à peu près sans frottement. Même lorsque la température à laquelle la chaleur est captée décroît, le coefficient de chauffage reste pratiquement inchangé. Cette variante de l'appareil de climatisation est particulièrement bien appropriée dans les régions o la température de l'air extérieur ne descend pas en dessous du point de congélation alors qu'il faut néanmoins chauffer occasionnellement. REVENDICATIONS 1. Appareil de climatisation avec pompe à chaleur, pour le chauffage et le refroidissement de locaux fermés, cet appareil étant en communication aussi bien avec l'air du local qu'avec l'air extérieur, caractérisé en ce que la pompe à chaleur est réalisée sous la forme d'une pompe Stirling à piston libre (10a, ), en ce que cette pompe à chaleur est entraînée par une machine à mouvement oscillant, en ce que l'appareil de climatisation possède des canaux séparés pour l'air sortant et l'air frais, et en ce que cet appareil de climatisation est équipé, pour la sélection du mode de fonctionnement (refroidissement ou chauffage), de moyens pour modifier le trajet et/ou le sens d'écoulement de l'air. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la machine d'entraînement de la pompe à chaleur à piston libre, du type Stirling (10a), est un moteur Stirling à piston libre (10) chauffé au gaz, et en ce que des volets (14, 15) manoeuvrables manuellement sont prévus pour la sélection du mode de fonctionnement. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la machine pour entraîner la pompe à chaleur à piston libre, du type Stirling (30), est un moteur électrique linéaire (31) utilisé à la fréquence du réseau, et en ce que, pour le choix du mode de fonctionnement, il est prévu un ventilateur (32) dont le sens de rotation peut être changé. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par la présence d'une gaine d'évacuation particulière (13) pour les gaz résultant de la combustion servant à chauffer le moteur Stirling à piston libre (10). 5. Appareil selon la revendication 2 ou 4, caractérisé en ce que la chaleur de déperdition du moteur Stirling (10) et la chaleur pompée par la pompe à chaleur à piston libre (10a) sont amenées, par des tôles de conduction thermique ou par des ailettes de refroidissement, dans un canal de passage d'air particulier (19). 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 2, 4, 5, caractérisé en ce que l'échangeur d'absorption de chaleur de la pompe à chaleur (10a) est conçu de manière qu'il n'y ait pas de refroidissement d'air en dessous de +3 C, même en marche continue. 7. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un thermostat (34) situé dans le local est affecté au moteur linéaire (31) pour la régulation de tension ou pour la mise en/hors circuit de ce moteur linéaire. 8. Appareil selon la revendication 3 ou 7, caractérisé en ce qu'un capteur de température (35) est associé à la partie froide (30a) d'absorption de chaleur de la pompe à chaleur (30). 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 3, 7, 8, caractérisé en ce qu'un commutateur à plusieurs échelons (38) est affecté au ventilateur (32), pour régler la vitesse de rotation de celui-ci. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le changement de sens de rotation du ventilateur (32) est commandé par le thermostat (34) du local.