Brevet FR2666876A1 — publié le 19920320

DflSCRTPTION TECHNTOUE. La présente invention concerne les pompes à chaleur. D'une façon plus précise, elle concerne les pompes à chaleur fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique non-réversiblc, comme par exemple le cycle de disorption-adsorption d'un fluide thermodynamique convenable sur un matériau donné, et vise à leur apporter une capacité de fonctionnement réversible. En marge du cycle traditionnel du "Fréon" qui constitue le principe de base de la majeure partie des machines thermiques, on recours parfois à des cycles thermodynamiques bien connus mais appliqués industriellement seulement depuis peu, et présentant des avantages notoires sur le cycle traditionnel, afin de réaliser par exemple des assécheurs, des pompes à chaleur ou des climatiseurs. Ses avantages résident dans le fait qu'il assure un fonctionnement silencieux en raison de l'absence de compresseur, sans nuisance écologique puisqu'ils sont dépourvus de "Fréon", de façon fiable et à faible coût puisqu'il y a très peu d'éléments mobiles et de pieces d'usure.Parmi ces cycles thermodynamiques, on peut citer notamment celui de désorption-adsorption d'un fluide thermodynamique convenable sur un matériau particulier, ce fluide pouvant avantageusement être de l'eau, et ce matériau, des zéolithes. Le mécanisme d'adsorption de la vapeur d'eau par des zéolithes est connu depuis Pantiquité. Nous savons que ce phénomène produit de la chaleur, qui peut être utilisée pour réchauffer une enceinte (1) - que nous appellerons source chaude - pour peu que les zéolithes soient placées dans un échangeur à air. La vapeur d'eau est produite dans un autre échangeur sous faible pression, en contact avec l'air de la source froide (2), et dans lequel s'évapore l'eau, enlevant donc des calories à la source froide. Le cycle n'est pas refermé durant ce processus mais boucle hors phase de fonctionnement normal en réchauffant les zéolithes à plus de 1000C à l'aide de moyens convenables (résistance électrique, microondes, champs électriques haute fréquence), c'est le recyclage.L'échangeur (4) au contact de la source froide (2), que nous appellerons de façon conventionnelle évaporateur compte tenu de la fonction qu'il assure durant la phase de fonctionnement normal, jouant alors le rôle de condenseur, et l'echangeur (3) au contact de la source chaude(1), que nous appellerons de façon conventionnelle condenseur compte tenu de la fonction qu'il assure durant la phase de fonctionnement normal, jouant lui le rôle d'évaporateur. La chaleur restituée à la source froide (4) étant exactement égale à celle qui en a été extraite durant la phase de fonctionnement normal, le bilan thermodynamique est nul. L'intérêt réside dans le fait qu'on apponc à la source chaude (1)- des calories en fonctionnement normal, sans lui en retirer pour autant durant le recyclage. Quand ce cycle thermodynamique est utilisé dans une pompe à chaleur, le milieu extérieur tient lieu de source froide (2), alors que la source chaude (1) est constituée par la pièce à réchauffer. Lorsque ce même cycle est utilisé dans un climatiseur, c'est le milieu intérieur qui tient lieu de source froide (2), alors que la source chaude (1) est constituée par la pièce à refroidir. Le passage de la pompe à chaleur au climatiseur suppose donc qu'en mode de fonctionnement normal, c'est-à-dire hors recyclage, le condenseur (3) devienne évaporateur (4) et l'évaporateur (4), condenseur (3). Dans une machine thermique fonctionnant sur la base du cycle thermodynamique du "Fréon", les deux échangeurs ne sont pas spécifiques, c'est-à-dire qu'il peuvent aussi bien jouer le rôle de condenseur (3) que d'évaporateur (4).On s'aperçoit immédiatement que l'inconvénient d'une machine thermique fonctionnant sur la base du cycle thermique de désorption-adsorption de l'eau sur les zéolithes réside dans le fait que les deux échangeurs sont spécifiques, c'est-à-dire qu'en mode de fonctionnement normal - hors recyclage - l'évaporateur(4) ne peut pas servir de condenseur (3) (puisqu'il ne contient pas de zéolithes) et le condenseur (3) ne peut pas tenir lieu d'évaporateur (4) (puisque l'eau ne peut y être présente hors phase vapeur que sous forme adsorbée, et que la désorption nécessite un chauffage à plus de 100"C). Cet inconvénient n'est pas propre aux zéolithes, il est en fait une caractéristique des cycles thermodynamiques dits non-réversibles. D'un point de vue pratique, cela signifie que s'il est d'une part possible de réaliser une pompe à chaleur fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique non-réversible et d'autre part possible de réaliser un climatiseur d'air fonctionnant sur le même principe, on se trouve en revanche dans l'impossibilité de réaliser un appareil mixte permettant d'assurer les deux fonctions, pompe à chaleur en hiver et climatiseur en été. Ceci constitue un grave inconvénient vis à vis des machines thermiques à "Fréonl où la simple inversion du sens de circulation du fluide permet de passer d'un mode à l'autre. Le dispositif suivant l'invention évite cet inconvénient puisqu'il permet de réaliser une machine thermique fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique non-réversible, par exemple celui de désorption-adsorption de l'eau sur des zéolithes, et pouvant au choix fonctionner en pompe à chaleur ou en climatiseur d'air, le passage d'un mode à l'autre se faisant simplement. L'invention concerne un dispositif de commutation d'une pompe à chaleur en climatiseur (et réciproquement) fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique non-réversible caractérisé en ce que le passage d'un mode de fonctionnement à l'autre s'effectue par permutation mécanique des échangeurs, de telle sorte que selon l'un ou l'autre des modes de fonctionnement, l'échangeur (3) dans lequel se condense ou s'adsorbe le fluide thermodynamique (que nous appellerons condenseur) reste au contact avec la source chaude (1), et celui (4) dans lequel s'évapore le fluide thermodynamique (que nous appellerons évaporateur) reste au contact avec la source froide (2). Suivant une autre caractéristique, les deux échangeurs (3) et (4) sont adjacents, simplement séparés par une paroi en matériau isolant (5). Suivant une autre caractéristique, la permutation des deux échangeurs (3) et (4) a lieu en faisant effectuer à l'ensemble du dispositif une rotation autour d'un axe (6) passant par le plan de séparation entre la source chaude (I) et la source froide (2). Suivant une autre caractéristique, l'axe de rotation (6) passant par le plan de séparation entre la source chaude (1) et la source froide (2), et assurant la permutation des échangeurs (3) et (4), est vertical. Suivant une autre caractéristique, l'axe de rotation (6) passant par le plan de séparation entre la source chaude (1) et la source froide (2), et assurant la permutation des échangeurs (3) et (4), est horizontal. Suivant une autre caractéristique, il est en outre pourvu de moyens convenables pour bloquer en rotation le dispositif dans son ensemble, moyens débrayables au moment du passage du mode pompe à chaleur au mode climatiseur. Suivant une autre caractéristique, le cycle thermodynamique est un cycle de désorption-adsorption d'un fluide thermodynamique convenable sur un matériau particulier. Suivant une autre caractéristique, le cycle thermodynamique est le cycle de désorption-adsorption de l'eau sur des zéolithes. Suivant une autre caractéristique, il est de forme parallélépipèdique rectangulaire (7), de faible épaisseur de manière à s'intégrer dans l'épaisseur du mur extérieur (8) d'une pièce, et en outre en ce que les deux échangeurs (3) et (4)- tel qu'avantageusement de même encombrement - sont par exemple réalisés en profilé d'aluminium. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, référencée aux dessins annexés, dans lesquels: .la figure 1 représente schématiquement une machine thermique par ses deux échangeurs: condenseur (3) et évaporateur (4) au contact des deux sources: chaude (1) et froide (2) et une paroi en matériau isolant (5) les séparant - les tubulures, moyens de régulation, de recyclage et/ou de compression ne sont pas représentés. .la figure 2 représente une pompe à chaleur (7) convertible en climatiseur d'air dont les échangeurs sont plans, adjacents et simplement séparés par une paroi en matériau isolant, insérée dans la paroi (8) séparant la pièce du milieu extérieur (donc séparant les deux sources de chaleur). On y a fait figurer l'axe de rotation (6) permettant de passer d'un mode de fonctionnement à l'autre. Ces figures sont données à titre purement indicatif, afin de mieux comprendre le principe du dispositif, elles ne sont en fait nullement limitatives et n'enlèvent donc rien à la généralité de l'invention. Le cycle thermodynamique choisi - celui de désorption-adsorption de l'eau sur des zéolithes - est illustratif, on aurait pu en fait choisir à sa place n'importe quel cycle thermodynamique non-réversible. On n'y a par ailleurs pas toujours représenté les différents éléments suivant leurs proportions réelles quand cela ne nuisait pas à la compréhension des figures. L'idée maîtresse qui est à la base de la présente invention est la suivante: puisque chacun des deux échangeurs (3) et (4) est voué à un rôle très spécifique, on ne cherchera pas à les utiliser à contre-emploi, mais on fera plutôt en sorte que pour eux, les deux modes de fonctionnement soient strictement équivalents, c'est-à-dire que le condenseur (4) reste le lieu où l'eau est adsorbée, l'évaporateur (3) celui où elle est évaporée, mais plus important, que le condenseur (3) reste au contact de la source dite chaude (1) et que l'évaporateur (4) reste lui au contact de la source dite froide (2). Quel que soit le mode de fonctionnement, pompe à chaleur ou climatiseur, une machine thermique enlève des calories à la source froide (2) pour les donner à la source chaude (1): la source froide (2) se refroidie et la source chaude (1) se réchauffe. En mode pompe à chaleur, la source froide (2) est donc à l'extérieur et la source chaude (1) à l'intérieur, alors qu'en mode climatiseur, la source froide (2) est à l'intérieur et la source chaude (1) à l'extérieur.On réalise que si les deux échangeurs (3) et (4) doivent toujours rester au contact de la même source, on devra pour passer d'un mode à l'autre échanger le milieu (intérieur ou extérieur) au contact duquel ils sont: le condenseur (3) dans lequel circulait l'air intérieur (source chaude) en fonctionnement en pompe à chaleur devra être alimenté en air extérieur (source chaude) en fonctionnement en climatiseur, et l'évaporateur (4) dans lequel circulait l'air extérieur (source froide) en fonctionnement en pompe à chaleur devra être alimenté en air intérieur (source froide) en fonctionnement en climatiseur. Un premier moyen consiste à orienter l'air extérieur et l'air intérieur vers l'un ou l'autre échangeur à l'aide d'une tuyauterie et de vannes. Cette solution constitue cependant un pas en arrière dans la volonté de simplification mécanique qui avait motivé le choix du cycle thermodynamique. On préférera donc un système moins complexe dans lequel on permute physiquement les deux échangeurs: l'un venant simplement à la place de l'autre. La solution la plus facile à mettre en oeuvre consiste à concevoir une machine thermique monobloc (7), évaporateur (4) et condenseur (3) adjacents et simplement séparés par une paroi en matériau isolant (5).L'ensemble est inséré dans un mur (8), un échangeur à l'extérieur et l'autre à l'intérieur, de telle sorte que le passage d'un mode de fonctionnement à l'autre a lieu par simple rotation de l'ensemble du dispositif autour d'un axe (6) quelconque situé avantageusement dans le plan de la paroi isolante (5). Des moyens convenables assurent en outre l'étanchéité, et le blocage en rotation afin que cette dernière ne se déclenche pas de manière intempestive. Cet axe de rotation (6) peut avantageusement être vertical, mais on pourra aussi adopter un axe de rotation horizontal lorsque l'encombrement de la pompe à chaleur et la conformation de la pièce l'imposeront. L'invention est particulièrement adaptée aux machines thermiques fonctionnant sur la base du cycle de désorption-adsorption d'un liquide convenable sur un matériau particulier. En pratique, ce liquide est généralement de l'eau et ce matériau des zéolithes. En effet, les pompes à chaleur à zéolithes sont simplement constituées de deux échangeurs (3) et (4), d'une vanne de régulation, de moyens de régénérations et de parois en matériau isolant (5), ce qui en fait des dispositifs compacts, légers, et simplement isolés de leur environnement par des câbles électriques de puissance et de commande. Il est donc aisé de faire tourner l'ensemble du dispositif autour de son axe (6), sans même nécessiter de contacts via des balais puisque cette rotation se limite à un demi-tour. L'utilisation de cette pompe à chaleur convertible est donc très simple: l'utilisateur devra simplement imprimer un demi-tour à la pompe à chaleur au changement de saison. On dispose ainsi d'une machine thermique conjugant tous les avantages de la pompe à chaleur à zéolithes, à savoir une extrême simplicité mécanique, une absence totale de bruit et de nuisances écologiques, à ceux des machines thermiques réversibles. - REVENDICATlONS - 1. Dispositif de commutation d'une pompe à chaleur en climatiseur (et réciproquement) fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique nonréversible caractérisé en ce que le passage d'un mode de fonctionnement à l'autre s'effectue par permutation mécanique des échangeurs, de telle sorte que selon l'un ou l'autre des modes de fonctionnement, l'échangeur (3) dans lequel se condense ou s'adsorbe le fluide thermodynamique (que nous appellerons condenseur) reste au contact avec la source chaude (1), et celui (4) dans lequel s'évapore le fluide thermodynamique (que nous appellerons évaporateur) reste au contact avec la source froide (2). 2. Dispositif de commutation d'une pompe à chaleur en climatiseur (et réciproquement) fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique nonréversible suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les deux échangeurs (3) et (4) sont adjacents, simplement séparés par une paroi en matériau isolant (5). 3. Dispositif de commutation d'une pompe à chaleur en climatiseur (et réciproquement) fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique nonréversible suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la permutation des deux échangeurs (3) et (4) a lieu en faisant effectuer à l'ensemble du dispositif une rotation d'un demi-tour autour d'un axe (6) passant par le plan de séparation entre la source chaude (1) et la source froide (2). 4. Dispositif de commutation d'un pompe à chaleur en climatiseur (et réciproquement) fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique nonréversible suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que l'axe de rotation (6) passant par le plan de séparation entre la source chaude (1) et la source froide (2), et assurant la permutation des échangeurs (3) et (4), est vertical. 5. Dispositif de commutation d'un pompe à chaleur en climatiseur (et réciproquement) fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique non réversible suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que l'axe de rotation (6) passant par le plan de séparation entre la source chaude (1) et Ia source froide (2), et assurant la permutation des échangeurs (3) et (4), est horizontal. 6. Dispositif de commutation d'un pompe à chaleur en climatiseur (et réciproquement) fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique nonréversible suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce qu'il est en outre pourvu de moyens convenables pour bloquer en rotation le dispositif dans son ensemble, moyens débrayables au moment du passage du mode pompe à chaleur au mode climatiseur. 7. Dispositif de commutation d'une pompe à chaleur en climatiseur (et réciproquement) fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique nonréversible suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que ce cycle thermodynamique est un cycle de désorption-adsorption d'un fluide thermodynamique convenable sur un matériau particulier. 8. Dispositif de commutation d'une pompe à chaleur en climatiseur (et réciproquement) fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique nonréversible suivant les revendications 1, 2, 3 et 7 caractérisé en ce que ce cycle thermodynamique est le cycle de désorption-adsorption de l'eau sur des zéolithes. 9. Dispositif de commutation d'une pompe à chaleur en climatiseur (et réciproquement) fonctionnant sur la base d'un cycle thermodynamique nonréversible suivant les revendications 1, 2, 3, 7 et 8 caractérisé en ce qu'il est de forme parallélépipèdique rectangulaire (7) , de faible épaisseur de manière à s'intégrer dans l'épaisseur du mur extérieur (8) d'une pièce, et en outre en ce que les deux échangeurs (3) et (4) - tel qu'avantageusement de même encombrement - sont réalisés en profilé d'aluminium.