Brevet FR2619201A1 — publié le 19890210

Pompe à chaleur rotative. La présente invention concerne un dispositif permettant un échange de chaleur du type pompe à chaleur c'est à dire extraire les calories de la source froide pour les ajouter dans la source chaude. Les pompes à chaleur actuelles se présentent comme des ensembles couteux,emcombrants et complexes,composés de nombreux éléments tels que compresseur,échangeur,.conden- seur...etc.les performances sont données par le rapport des grandeurs:Puissance thermique échangée sur puissance mécanique dépensée (Wth/Wm) qui reste faible industriellement se situant autour de 4 à 5. Le dispositif présenté ici est simple car formé d'un seul appareil rassemblant toutes les fonctions et per formani(Wth/Wm > lO)oIl est composé d'un boitier métallique formé par deux cylindres de révolution concentriques fermés aux extréraités par deux cloisons métalliques.Ce boitier est hermétique,étanche et contient un gaz de forte densité sous pression.Le cylindre intérieur est traversé par un fluide réchauffant.le cylindre extérieur extérieur est entouré d'un fluide de refroidissement.Autour du cylindre intérieur est monté sur roulements ou paliers hydrauliques un ensemble mobile qui peut tourner dans le volume intérieur du boitier,entre les deux cylindres.Cet ensemble mobile est composé de palettes et de contours de guidage fixés sur des membranes radiales et forment un ensemble rigide et solidaire.les palettes déterminent des secteurs égaux.Leur bord est- trés proche des parois du boitier métallique sans toutefois les toucher afin d'obtenir une étanchéité dynamique maximale. Le bord externe des palettes a une forme arrondie ou inclinée dans le sens de la rotation.Dans chaque secteur se trouve un contour de guidage.Celui-ci se présente comme un volume cylindrique fermé formant un canal de quelques millimêtres de largeur sur la périphérie du secteur.le profil de chaque contour est étudié pour faciliter la circulation du gaz autour de chaque ton- tour,avec en particulier le profil amont fuyant vers l'arrière La surface interne du cylindre extérieur a été rendue rugueuse ou est striée de nervures lon gitudinales afin de former une couche gazeuse limite trés turbulente.l'ensemble mobile tourne à grande vi tesse de manière solidaire,mu par un moteur électrique intégré ou par une turbine extérieure.Les membranes métalliques radiales supportant les palettes et les contours de guidage sont fixées sur la bague extérieure des roulements ou des paliers,la bague intérieure étant solidaire du cylindre intérieur. Selon une première variante la paroi externe du cy lindre intérieur est munie a'ailettes d-- refroidissement dans lesquelles les palettes de l'ensemble mobile vien nent sea uster sans frottement pour obtenir une étanché ité maximale.Ceci permet d'augmenter la surface d'échan ge thermique. .La figure n01 est un écorché du dispositif complet. .La figure n 2 est une vue en coupe transversale du dispositif selon le plan BB. .La figure n03 est une vue en coupe longitudinale selon le plan Àk. sLa figure n04 présente la variante 1 selon la coupe kA. Tel qu'il est représenté l'exemple de réalisation de la pompe a chaleur rotative comporte dans un boitier métallique 1 un ensemble mobile à trois secteurs.Ce boitier est entouré d'une circulation d'eau de refroidissement 2 et traversé par un circuit d'eau de réchauffement 3.Mu par un moteur électrique 4 un ensemble mobile composé de palettes 5 et de contours de. guidage 6 est placé dans ce boitier.Ce dernier est rempli d'un gaz à forte densité (par exemple AsF5;;#=7,7 kg/m) dans des conditions normales) L'extrémité des palettes 7 est arrondie et trés proche du cylindre extérieur.Le profil amont 6 du contour de guidage est fuyant vers l'arrière.La surface intérieure 9 du cylindre extérieur est rugueuse.La menbrane métallique 10 maintient le rotor de manière solidaire.Dans son mouvement de rotation le rotor entraine la masse de gaz qui sous l'effet de la force centrifuge crée un gradient de pression et de température qui va croissante du centre vers l'extérieur.Cette masse de gaz avant d'étre comprimée sur le cylindre extérieur glisse sur la face amont 8 du contour de guidage 5 et acquière une vitesse ae rotation inférieur à celle du rotor car le profil est fuyant vers l'arrière.Le gaz est également freinés au contact de la surface rugueuse u au cylindre extérieur.le bord externe des palettes 7 récupère le différentiel de vitesse du gaz et le fait tourner autour des contours de guidage Le gaz tournant passe d'une zone comprimée où il s'échauffe et perd des calories au contact du cylindre extérieur 9 à une zone détendue où il se refroidit et prend des calot ries au cylindre intérieur ll.Puis le cycle recommence en retournant dans la zone comprimée.Plus la vitesse de rota tion sera élevée plus le gradient de pression et de température sera important.Les cylindres extérieur et intérieur cèdent ou prennent des calories respectivement au liquide associé.L'ensemble mobile tourne dans le sens horaire suivant la flèche double de la figure 2.Le boitier métallique reste statique. Le bilan global de fonctionnement est le s-ivant: -Faible repense d'énergie mécanique due aux frottements du gaz. -Extraction de chaleur du liquide central. -Dégagement de chaleur dans le liquide extérieur. -La différence de température entre le liquide extérieur et le liquide central est déterminée par la vitesse de rotation. -La quantité de chaleur échangée dépendant du flux de gaz tournant chaque secteur. Applications industrielles: Tous processus industriels nécessitant des échanges thermiques. .Récupération d'énergie. .Amélioration du refroidissement de systèmes embarqués industriels ou militaires. Revendica'ions. l-Dispositif composé a'un boitier métallique 1 dans lequel un ensemble mobile peut tourner à grande'vitesse. Celui-ci est mu par un moteur intégré ou extérieur 4.Ce boitier est entouré extérieurement par un fluide réfrigérant 2 et est traversé intérieurement par un fluide réchauffant 3. 2-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un boitier métallique 1 étanche composé de deux cylindres de révolution concentriques et fermé aux deux extrémités 3-Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé par la présence dans le boitier métallique d'un gaz de forte densité sous pression. 4-Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé par un ensemble mobile composé de palettes 7 séparant le volume intérieur en plusieurs secteurs identiques. 5-Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par des palettes 7 ayant le bord extérieur arrondi ou incliné dans le sens de la rotation et dont tous les cotés présentent une proximité maximale avec le boitier métål- lique sans avoir de frottement dans la rotation. 6-Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé par la présence dans chaque secteur de l'en- semble mobile d'un contour de guidage 6 déterminant un chemin de passage du gaz 12 sur la périphérie de chaque secteur. Revendications (suite) 7-Dispositf selon les revendications précédentes caractérisé par des contours de guidage ó possédant un profil amont o fuyant vers l'arrière. 8-Dispositif selon les revendications 1,2,3 caractérisé par la présence sur la paroi interne du cylindre extérieur9 d'une surface rugueuse ou triée de rainures longitudinales. 9 Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé par des membranes radiales 10 serrées sur roule 7 ments ou paliers 13 supportent les palettes et contours de guidage 6.