Brevet FR2749070A1 — publié le 19971128

La présente invention, concerne une pompe à chaleur hautes performances, sans CFC (chloro-fluoro-carbone) considérés comme destructeurs de la couche d'ozone. Par cette caractéristique telle est écologique, puisqu'elle remplacera l'utilisation ces CFC, dans les cingélateurs domestiques et autres. Elle présente de hautes performances, lorsque l'unité ae base, associant plusieurs étages, permet dlatteindre les températures de supraconductivité. Cette recherche des basses températures peut être utile pour les application's industrielles ( semiconducteurs, superaimants). L'invention concerne un système thermodynamique composé de plusieurs étages, qui est une pompe à chaleur. Fig. 2-II Un seul étage peut être utilise pour un réfrigérateur. Un étage est constitué d'un compresseur ( Fig.l.II) rotatif, d'un échangeur calorifique (P1 ;T1 vers P1; T2) fonctionnant à contre courant, d u n détendeur rotatif solidaire du compresseur (soit une turbine, soit un circuit hélicoïdal en zigzag comme présenté sur la figure 1-II). Le gaz se refroidit en effectuant un travail au niveau de chacun des zigzags. Le circuit est composé de plusieurs spires superposées, le gaz parcourt successivemen. chacunes de ces spires en allant de la périphérie vers l'axe du rotor. Pour éviter que ta différence des pressions qui s'exercent sur les surfaces réceptrices ci gaz, n'entrainent un plaquage du rotor sur la surface de sortie du gaz, les éléments du compresseur comme du détendeur, sont construits symétriquement par rapport au plan médian d compresseur comme du détendeur. Le parcourt du gaz steffectu Le (les moteurs d'entrainement du rotor est(sont) placés à l'extérieur du circuit (fig. 2-II), indiqué par M. Ils Sont isolés des étages où s'effectuent les phénomènes thermodynamiques ', envisagés. La chaleur due à leur fonctionnement est directement évacuée dans l'atmosphère. L'objet de ce paragraphe est de décrire les différentes transformations thermodynamiques associées à une unité du système: Le gaz à la pression Po et la température To est comprimé à la pression P1 et atteint une température T1 par le compresseur rotatif. Le gaz parcourt ensuite un échangeur de chaleur qui abaisse la température à T2. Le travail échangé estKcp ( T2 - T1), où M représente la masse de gaz qui passe dans 1 a c la canalisation de l'échangeur. Le gaz est ensuite détendu jusqu'à la pression Po, et atteint la température T3. En passant alors dans le second échangeur, il emprunte des calories au milieu à refroidir. C'est ce qui représente sa fonction réfrigératrice. ta fig.2-II montre une combinaison de plusieurs étages, qui mettent en contact les échangeurs de chaleur. Le circuit de refroidissement d'un étage, sert à refroidir le gaz comprimé circulant dans l'échangeur de température de la machine adjacente. Cette machine constituée d'un assemblage d'étages offre des propriétés thermodynamiques dans le domaine des applications industrielles aux basses températures. Par exemple, pour un rapport de pression Pl/Po de 100, (ce que réalise par exemple un compresseur rotatif centrifuge et moléculaire du type Holweck), nous aurons avec le gaz hélium pour lequel y = Cp/cv = 1,6 un rapport de température T2/T3 de 5,6. Pour T2 à ta température ambiante, soit 3000K, T3 atteindra la température de 530K. Au niveau du second étage nous aurions 53 K/5,6 = 9,5 K. En réalité, si nous utilisons la formule W1-2 = - 2 Mc p (T2-T1), nous devrions aussi avoir pour la mêmetuantité d'énergie utilisée au premier étage, un abaissement de température de 300 - 53 =2470K. L'abaissement de température v a donc bien au-delà de 9,5 K. Ce qu'il faut interpréter comme un rapport P1:PO très supérieur à 100, donc un Po qui se rapproche du vide absolu. Le calcul montre qu'avec le gaz hélium, un rapport Pl/Po de 3, suffit pour amener un abaissement de température de 300 K à 1980K. Trois étages développant la même puissance que le premier, rapprocherait suffisamment des températures de supraconduction. Examinons les conditions de réalisation d'un rapport P1/Po le plus élevé possible: Pour cela écrivons P1 = Po + #P P1/Po peut alors s'Écrire ( Po + -P > /Po ou encore = 1 + -P/Po ce rapport sera donc d'autant plus élevé que Po sera plus réduit. Nous voyons l'intérêt de travailler avec une masse degaz@la plus réduite possible, compte tenu des autres facteurs en jeu. LEGENDES Fig. 1-Il: 1- échangeur de chaleur. 2. Température ambiante (source chaude) 3- ler Etage 4. Transformation quasi-isentropique. 6- Système à refroidir 7- ZIGZAG 9- Axe solidaire de rotation. Fig. 2-II: DR= détendeur rotatif. CR= compresseur rotatif. ECTA= Echangeur de chaleur à la température ambiante. El = ler étage. E2 = 2ème étage. E3 = Troisième étage. EDC = échangeur de chaleur. M = Moteur. CG = congélateur. TDC = Températures de supraconduction. REVEND I CA T I ON S, 1: Pompe à chaleur qui utilise un gaz sous faible pression qui subit les travaux de compression adiabatique, refroidissement isobare, détente adiabatique, pompage isobare des calories du milieu à refroidir. 2: Pompe à chaleur selon la revendication 1, dans laquelle le ttavail de compression est réalisé par un compresseur rotatif (turbocompresseur, compresseur centrifuge). 3: Pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le travail de détente adiabatique est réalisé par un détendeur rotatif (turbine, circuit hélicoïdal structuré). 4: Pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, les deux rotors du détendeur comme du compresseur sont solidaires du même axe, le compresseur comme le détendeur comportant des éléments de symétrie par rapport à cet axe, et par rapport à un plan médian pour le compresseur, comme pour le détendeur. 5: Pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la pompe à chaleur représente l'unité de base d'une série d'étages de cette unité agencée pour que les abaissements de température réalisés par chacune, s'ajoutent jusqu'à obtenir les températures aussi proches du zéro absolu que peut réaliser la pompe à chaleur ainsi constituée.