Brevet FR2776369A1 — publié le 19990924

EMETTEUR DE CHAUD OU DE FROID OU POMPE A CHALEUR A VENTILATEUR TANGENTIEL DESCRIPTION Cette invention concerne une machine de chauffage ou de refroidissement de l'atmosphère, telle qu'un émetteur de chaud ou de froid ou une pompe à chaleur comprenant un ventilateur tangentiel. Les ventilateurs tangentiels comprennent une roue aubagée qui aspire le gaz ambiant dans une direction perpendiculaire à son axe de rotation et le renvoie dans une autre direction perpendiculaire à cet axe. Ils présentent l'avantage d'offrir un gros débit d'écoulement pour un encombrement réduit, mais leur emploi dans des applications domestiques est problématique à cause de leur bruit, normalement trop élevé pour satisfaire aux normes actuelles sur les appareils dont il est question ici. C'est pourquoi les climatisateurs usuels comprennent des ventilateurs hélicoïdaux (à écoulement dans l'axe de rotation de la roue) ou centrifuges (à écoulement d'éjection plan et rayonnant sur un cercle complet). Ces deux genres de ventilateurs exigent toutefois des surfaces importantes d'écoulement d'air, et donc une grande surface d'appareil. L'objet de l'invention a été de réhabiliter les ventilateurs tangentiels pour les usages domestiques grâce à une construction particulière qui les rend plus silencieux. La mesure principale consiste à rendre poreuse une pièce en saillie, appelée bec de crosse, qui forme partiellement une chambre dans laquelle la roue tourne et qui pointe vers une génératrice de la roue. D'autres perfectionnements ont consisté à modifier les caractéristiques géométriques de la roue, et en particulier l'angle de calage des aubes. Des dispositions particulièrement favorables pour améliorer l'écoulement ont été encore adoptées dans l'émetteur comme la pompe à chaleur. Les caractéristiques, avantages et buts de l'invention seront mieux compris au commentaire des figures suivantes, annexées à titre illustratif et non limitatif: * la figure 1 est une coupe de côté d'un émetteur de chaud et de froid conforme à l'invention, * la figure 2 est une vue de face de ce même émetteur, * la figure 3 illustre plus précisément son ventilateur, * et la figure 4 est une vue d'une pompe à chaleur conforme à l'invention. La description porte d'abord sur la figure 1. Un émetteur conforme à l'invention est accroché à un mur et son enveloppe a une section en forme de triangle irrégulier dont le côté arrière, le plus long, est du côté du mur, le côté supérieur, légèrement incliné vers le bas à partir du mur, est le plus court et le côté inférieur, oblique, se raccorde au précédent par une pointe 1. Le côté inférieur est percé d'une ouverture d'entrée d'air 2 voilée par une grille 3 de filtrage et, au-dessus de cette entrée 2 mais juste au- dessous de la pointe 1, d'une première sortie d'air 4; une seconde sortie d'air 5 est disposée à travers le côté supérieur de l'enveloppe, un peu au-dessus de la pointe 1. Ces sorties d'air 4 et 5 sont garnies d'ailettes 6 et 7, dirigées vers le bas et vers l'extérieur pour la première sortie 4 et vers le haut et vers l'extérieur pour la seconde sortie 5. Un échangeur de chaleur 8 est disposé dans l'enveloppe, derrière la grille 3; il consiste en un réseau de tubes 9 de section circulaire qui aboutissent à deux conduits 10 affectés à la fourniture et à la reprise d'un liquide, frigorigène ou calorigène selon le cas. Les conduits 10 s'étendent d'un côté latéral de l'enveloppe et en sortent avant de rejoindre une installation appropriée qui fait partie du bâtiment dans lequel l'émetteur est installé. Un bac à condensats 11 est situé sous les tubes 9 pour recueillir le cas échéant l'humidité de l'air qui s'est condensée sur eux. Un conduit de purge, pouvant être ouvert à volonté et non représenté, permet de le vider. La pièce maîtresse de l'appareil est un ventilateur 12 tangentiel disposé dans une enveloppe 13 interne à l'enveloppe extérieure à section triangulaire. Cette enveloppe 13 interne comprend un pavillon d'entrée 14 finissant devant l'échangeur de chaleur 8, une volute de sortie 15 finissant devant les sorties d'air 4 et 5 (qui confluent) et une chambre 16 intermédiaire aux précédentes et qui abrite la roue 17 du ventilateur 12. Avant d'en venir aux caractéristiques essentielles de l'invention, relevons qu'un volet 18 est articulé à l'enveloppe externe de l'émetteur et oscille entre deux positions extrêmes o il ferme l'une ou l'autre des sorties d'air 4 et 5 tout en dirigeant l'air sortant de la volute 15, jusqu'à laquelle il s'étend, vers l'autre des sorties d'air 4 et 5. Cette disposition permet d'optimiser la diffusion de l'air dans l'atmosphère ambiante selon sa température: l'air chaud ayant tendance à s'élever, c'est la première sortie d'air 4 qui sera ouverte pour chauffer le bâtiment afin que l'air soit d'abord soufflé vers le bas avant de s'élever; la seconde sortie d'air 5 sera ouverte avec de l'air froid pour le souffler vers le haut avant qu'il ne retombe. Une autre vue de l'émetteur est constituée par la figure 2, o on distingue encore le moteur 26 du ventilateur 12. La roue 17 est éventuellement assez longue, selon le débit d'air et la puissance de chauffage ou de réfrigération demandée. La figure 3 montre plus en détail le ventilateur 12. Les études aérodynamiques montrent que le soufflage de l'air s'écoule en prenant localement un aspect tourbillonnaire dans l'étendue d'un vortex V. Ce vortex V serait situé au centre de la roue 17 si celle- ci était au centre d'une chambre circulaire, mais l'écoulement résultant serait alors nul. Pour que le ventilateur 12 fonctionne, la chambre 16 est donc dissymétrique, et l'enveloppe interne 13 présente en particulier une saillie vers l'intérieur, qu'on appelle traditionnellement un bec de crosse 19 et qui s'étend presque jusqu'à la roue 17 à un endroit o elle défile vers le pavillon d'entrée 14: l'air qui accompagne la roue 17 autour d'elle est arrêté et se disperse soit vers la sortie 15, soit vers le centre de la roue 17, et il forme le vortex V, qui est comme accroché à la pointe 20 du bec de crosse 19 car il est à peu de distance. Cet agencement donne pleine satisfaction pour le rendement du ventilateur 12, mais la proximité de la roue 17 et du bec de crosse 19 produit un sifflement qui est la principale cause du bruit excessif des ventilateurs tangentiels. Les recherches menées par les inventeurs ont montré que ce sifflement pouvait être réduit si le bec de crosse 19 était poreux. Une telle disposition est donc adoptée ici et constitue un élément essentiel de l'invention: dans une réalisation concrète, le bec de crosse 19 est un morceau de tôle perforée dont les pores occupent 32% de la surface. Un courant de retour vers le pavillon d'entrée 14 est donc toléré à travers les pores, mais le débit d'air fourni par le ventilateur 12 reste bien suffisant, et il est d'ailleurs possible d'allonger le bec de crosse 19 par rapport aux solutions antérieures pour qu'il vienne plus près de la roue 17 (à dix millimètres par exemple); on le dispose aussi plus vers l'aval qu'il n'est habituel, afin d'augmenter le débit. Un même effet de réduction de niveau acoustique peut être obtenu par une forme judicieuse de l'enveloppe interne 13 du côté opposé au bec de crosse 19: sa face d'extrados 22 est à peu près plane jusqu'au-delà de la roue 17, ce qui est obtenu par la suppression d'un bec de volute 21 (en pointillés) traditionnel qui resserre le pavillon d'entrée 14 devant la roue 17 et incite donc l'air à y entrer pour être mieux entraîné, mais s'accompagne lui aussi d'une augmentation du bruit. Il résulte de cette suppression et de la position du bec de crosse 19 que l'angle k tourné vers l'amont, tracé entre le point de la face d'extrados 22 le plus proche de la roue 17 et la pointe 20 du bec de crosse 19, et dont le sommet est le centre de la roue 17, est plus important, nettement supérieur à 180 , alors qu'un angle bien inférieur à cette valeur est usuel. D'autres dispositions peuvent concerner les pales 23 de la roue 17. Une bonne conception, celle d'un prototype construit, prévoit qu'elles sont au nombre de trente et s'étendent entre des diamètres de mm et 49,44 mm de la roue 17; leur corde C (distance prise sur une droite entre leurs extrémités) est de 6,3 mm, leur angle de cambrure 0 de 72, 55 et leur angle de calage y (entre la corde C et la tangente à la roue 17 prise au diamètre intérieur) est de 53,18 . Cette dernière valeur, supérieure à 50 , est importante, car les inventeurs ont constaté qu'un angle de calage important contribuait à rendre le ventilateur 12 plus efficace, bien que l'entrainement de l'air atteignant la roue 17 après avoir traversé le pavillon d'entrée 14 fût moins facile, car l'écoulement était au contraire amélioré à la partie qui s'étend devant la volute 15 et près du bec de crosse 19 et fonctionne d'ailleurs en turbine, car la traînée de l'air y était diminuée. L'écoulement est encore facilité si la volute 15 se replie vers le pavillon d'entrée 14, et plus précisément si l'intrados 24 et 25 de l'enveloppe interne 13 forme un angle aigu de part et d'autre du bec de crosse 19: cet angle est obtus dans les ventilateurs existants. Cette particularité n'est ici exploitée que quand le volet 18 dirige l'écoulement vers la première sortie d'air 4, dont l'intrados 25 aval délimite le conduit. Des essais en acoustique ont finalement montré qu'un bruit diffus, produit par l'écoulement de l'air à travers le ventilateur 12 et qui s'ajoute au sifflement produit au bec de crosse 19, devenait prépondérant aux débits élevés. On conseille donc de faire tourner le ventilateur 12 à petit débit et petite vitesse, c'est-à- dire au-dessous des performances possibles et habituellement choisies: le bruit de l'écoulement devient alors faible, et le sifflement prépondérant, si bien que les dispositions vues plus haut concernant le bec de crosse 19 sont nettement bénéfiques. Une vitesse de rotation inférieure à 1000 tr/mm environ est préconisée. Une disposition auxiliaire consiste à disposer les pales 23 en vrille le long de la roue 12, afin d'éviter qu'elles ne passent périodiquement devant le bec de crosse 19, ce qui produirait des battements et des pics sonores à ces fréquences. Une telle pale 23 vrillée est illustrée à la figure 2. On remarque enfin qu'une caractéristique des ventilateurs tangentiels 12 est d'élever plus fortement la pression de l'air que d'autres genres de ventilateurs, de sorte que des échangeurs de chaleur 8 plus épais ou aux tubes plus serrés, et donc des variations de température plus grandes pour l'air qui passe par l'appareil, sont possibles. Ces considérations, exposées jusqu'ici pour un émetteur d'air, s'appliquent encore à une pompe à chaleur. Un tel appareil extrait de la chaleur d'une source froide et l'apporte à une source chaude par un fluide parcourant un circuit fermé qui le fait passer tour à tour par deux échangeurs de chaleur situés aux sources thermiques, et dans lesquels, en général, il se vaporise et se condense respectivement; un compresseur et un détendeur sont placés respectivement sur les deux branches du circuit qui relient les échangeurs. L'invention ne porte cependant pas sur l'organisation d'une pompe à chaleur mais sur la disposition des moyens de ventilation qui facilitent la circulation de l'air de la pièce à échauffer ou refroidir à travers l'échangeur de chaleur correspondant: ces moyens peuvent être placés de la façon indiqué à la figure 4, dans un bloc ventilateur 30 vu de dessus et comprenant une paroi 31 à section rectangulaire enclosant deux compartiments 32 abritant chacun un échangeur de chaleur 33, en diagonale dans le compartiment, et un ventilateur 34 dans un coin du compartiment; les échangeurs 33 forment un vé ouvert vers une face d'aspiration 35, grillagée, du bloc ventilateur 30 et les ventilateurs 34 sont encore disposés à deux coins du bloc ventilateur 30: l'écoulement d'air entre dans le bloc 30 par la face d'aspiration 35 en un écoulement uniforme avant de bifurquer vers les ventilateurs 34 en traversant les échangeurs 33 par leur plus petite dimension; il quitte le bloc ventilateur 30 par des ouvertures grillagées 36 qui occupent une partie de ses faces latérales; une cloison 37 séparant les compartiments 32 assure la symétrie de l'écoulement. Les ventilateurs 34 sont analogues aux ventilateurs 12 de la réalisation précédente et comprennent en particulier un bec de crosse 38 poreux, analogue au bec de crosse 19 déjà rencontré. Tous les autres perfectionnements concernant la roue, sa disposition dans l'enveloppe du ventilateur et la forme de cette enveloppe peuvent être adoptés ou non. Cependant, on peut estimer que les exigences de discrétion peuvent être moins grandes pour des pompes à chaleur, qui ont toujours été bruyantes. Dans le cas présent, on accepte de conserver un bec de volute 39 opposé au bec de crosse 38 par rapport à la roue 40, avec un angle X entre eux (défini comme pour la figure 3) plus petit qu'un demi-cercle, afin que l'air soit quelque peu guidé dans une volute courte 41, qui serait presque inexistante si les becs étaient plus près des ouvertures 36 de sortie. Il serait possible de ne pas dédoubler les ventilateurs 34 et les échangeurs 33, mais la disposition proposée ici a les avantages d'autoriser une dispersion d'air plus large, une réduction de la hauteur du bloc ventilateur 30 et une moindre puissance des ventilateurs 34. Le bloc ventilateur 30 est isolé du reste de la pompe, qui appartient à un bloc compresseur 41 placé dans une autre pièce, pas consacrée à l'habitation, afin qu'on n'ait pas à entendre son bruit, qui provient essentiellement d'un compresseur 42 joint à un moteur non représenté; le bloc compresseur 41 comprend encore un échangeur de chaleur 43 communiquant à la source froide (si la pièce dans laquelle se trouve le bloc ventilateur 30 doit être chauffée) et un détendeur 44. Tous ces éléments sont reliés entre eux par un circuit de conduits 45 qui passe aussi par les échangeurs 33, o il bifurque. REVENDICATIONS 1. Emetteur d'air ou pompe à chaleur, comprenant un échangeur de chaleur (8, 33), caractérisé en ce qu'il comprend un ventilateur tangentiel (12, 34) logé dans une chambre (16) précédant une volute (15) de sortie d'air, la chambre étant formée en partie par un bec de crosse (19, 38) pointant vers une génératrice de roue du ventilateur, caractérisé en ce que le bec de crosse est poreux. 2. Emetteur d'air ou pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce' que le ventilateur est dépourvu de bec de volute (21). 3. Emetteur d'air ou pompe à chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un angle (k) dirigé vers l'amont, passant par le bout (20) du bec des crosse et le point d'enveloppe (13) du ventilateur le plus proche de la roue (17) de ventilateur d'un côté d'intrados, et ayant le centre de la roue pour sommet, est supérieur à 1800. 4. Emetteur d'air ou pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bec de crosse (19) est une tôle perforée. 5. Emetteur d'air ou pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la roue du ventilateur est munie de pales (23) à angle de calage (y) supérieur à 50O. 6. Emetteur d'air ou pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ventilateur est logé dans une enveloppe (13) à intrados (24, 25) formant un angle aigu (3) de part et d'autre du bec de crosse (19). 7. Emetteur d'air ou pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé il en ce que la roue du ventilateur est munie de pales (23) vrillées. 8. Emetteur d'air selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la roue (17) a un axe de rotation horizontal, la volute (15) finit en deux conduits bifurquant et superposés, un volet (18) permet de fermer à volonté sélectivement les conduits, l'un des conduits étant ascendant et l'autre des conduits étant descendant. 9. Pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le ventilateur (34) est logé dans un coin d'un bloc (30) de ventilateur rectangulaire, l'échangeur de chaleur (33) s'étend sur une diagonale du bloc, l'air entre dans le bloc par une face (35) de grand côté du rectangle donnant sur l'échangeur et sort du bloc par une face (36) de petit côté du rectangle donnant sur la volute. 10. Pompe à chaleur, caractérisée en ce qu'elle comprend deux blocs de ventilateur selon la revendication 9, les échangeurs de chaleur forment un vé, les faces d'entrée d'air sont jointives et les faces de sortie d'air sont opposées.