Brevet FR2819307A1 — publié le 20020712

La présente invention concerne une pompe à chaleur mixte assurant à la fois le chauffage de l'eau sanitaire et le chauffage ou le refroidissement d'une ambiance par un second échangeur déconnectable. On connaît déjà des pompes à chaleur comportant en série ou en parallèle des échangeurs de chaleur destinés à la production d'eau chaude sanitaire et au chauffage. Dans la plupart de ces machines, l'échangeur d'eau sanitaire est sous dimensionné et n'est utilisé que lorsqu'il existe des besoins de chauffage ou de froid sur le second échangeur et n'est donc pas utilisable seul, ce qui oblige l'installation d'un autre mode de production d'eau chaude sanitaire. On connaît également systèmes de pompe à chaleur comportant des vannes trois voies permettant de faire basculer le circuit d'un échangeur à l'autre ; ces conceptions présentent l'inconvénient de laisser le circuit de l'échangeur inutilisé en relation de pression avec la haute pression du compresseur de la pompe à chaleur, ce qui le remplit systématiquement de liquide frigorigène et augmente de façon inconsidérée la charge en fluide de l'installation tout en imposant la présence d'un réservoir de liquide haute pression. C'est d'une manière générale un but de l'invention de fournir une pompe à chaleur assurant le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire ne présentant pas les défauts des installations connues. C'est en particulier un but de l'invention de fournir une pompe à chaleur comportant un condenseur de chauffage alimenté à partir d'une vanne magnétique en amont et d'un organe de détente spécifique en aval ce qui permet en outre : - D'équilibrer la pression du condenseur de chauffage à celle d'aspiration du compresseur, en phase d'utilisation de la production d'eau chaude sanitaire seule. - De ne pas remplir de liquide le condenseur chauffage en phase d'arrêt - De ne pas nécessiter la présence d'un réservoir de liquide haute pression sur le circuit. - De limiter la charge en fluide frigorigène. - De ne pas être coûteux dans sa réalisation. L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : -o La figure 1 est un schéma d'une installation selon l'invention. * La figure 2 représente une version de l'invention pour les pompes à chaleur réversibles. . La figure 3 représente une variante de la figure 1 La figure 4 est un exemple de montage d'une installation selon l'invention. La figure 5 représente un exemple de circuit hydraulique utilisé avec l'invention. Une installation selon l'invention figure 1 comporte un compresseur frigorifique (20) refoulant par une tuyauterie (11) dans un échangeur (10) qui est placé en partie basse d'un ballon d'eau chaude sanitaire (12). Cet échangeur assure le chauffage de l'eau contenue dans le ballon et la température de celui-ci est contrôlée par une sonde de température installée dans le doigt de gant (16). En fonctionnement production d'eau chaude sanitaire seule, la vanne magnétique (21) est en position fermée, ce qui dirige le fluide frigorigène par la tuyauterie (23) vers le détendeur (24). Le compresseur est mis en service en fonction des indications de la sonde (16). L'échangeur (10) est dans ce cas en fonctionnement condenseur et le liquide frigorigène formé est détendu pour se vaporiser dans l'évaporateur (28) dont le rôle est de prélever de la chaleur à la source froide (E2, S2) qui pourra être de l'eau ou tout type de source froide habituellement utilisée dans les applications pompes à chaleur. Le gaz formé est ensuite dirigé par la tuyauterie (29) vers l'aspiration du compresseur pour former un nouveau cycle. Le détendeur (24) pourra être de type thermostatique (comme représenté) ou de type électronique. Le détendeur (25) a un rôle d'équilibrage de pression en mettant le condenseur (22) en équilibre de pression avec la basse pression du circuit frigorifique lorsque la vanne (21) est fermée. En fonctionnement chauffage et production d'eau chaude sanitaire, la vanne magnétique (21) est en position ouverte. Le gaz refoulé par le compresseur (20) cède sa chaleur de désurchauffe dans l'échangeur (10) du ballon et se dirige par la tuyauterie (19) vers l'échangeur (22) qui joue le rôle de condenseur. La chaleur de condensation est cédée au fluide extérieur circulant dans celui-ci (sol, E1). Le liquide formé est ensuite détendu par le détendeur (25) pour se vaporiser dans l'évaporateur (28) dont le rôle est de prélever de la chaleur à la source froide (E2, S2). Le gaz formé est ensuite dirigé par la tuyauterie (29) vers l'aspiration du compresseur pour former un nouveau cycle. Le détendeur (24) pourra être de type thermostatique (comme représenté) ou de type électronique ou encore de type capillaire. Le détendeur (24) quant à lui, ne se trouve pas alimenté en liquide haute pression mais en gaz désurchauffé, ce qui conduit à une circulation de fluide dans celui-ci tout à fait négligeable. En variante la vanne (21) pourra être une vanne trois voies dirigeant le fluide sortant de l'échangeur (10) soit vers le condenseur (22), soit vers le détendeur (24). On notera que le fluide extérieur à chauffer circulant dans le condenseur (22) pourra être de l'eau, de l'air ou tout type de fluide habituellement utilisé comme source chaude dans une pompe à chaleur. Le condenseur (22) pourra même être constitué de tubes directement noyés dans le plancher des habitations sans nécessiter la circulation d'un fluide extérieur. Référons nous maintenant à la figure 2 qui représente une version de l'invention applicable pour les pompes à chaleur réversibles avec trois fonctions : la production d'eau chaude sanitaire, le chauffage et le rafraîchissement. Le compresseur frigorifique (20) refoule dans un échangeur (10) qui est placé en partie basse d'un ballon d'eau chaude sanitaire. On notera que la vanne magnétique (21) pourra être placée soit sur la tuyauterie (32) comme représenté, soit sur la tuyauterie (33) alimentant l'échangeur (22) et dans ce deuxième cas non représenté, la sortie de l'échangeur (10) passe en partie supérieure de la vanne d'inversion de cycle (31). En fonctionnement production d'eau chaude sanitaire seule, la vanne magnétique (21) est en position fermée, ce qui dirige le fluide frigorigène vers le détendeur (24). L'échangeur (10) est dans ce cas en fonctionnement condenseur et le liquide frigorigène formé est détendu dans le détendeur (24) pour se vaporiser dans l'évaporateur (28) dont le rôle est de prélever de la chaleur à la source froide (E2, S2) qui pourra être de l'eau ou tout type de source froide habituellement utilisée dans les applications pompes à chaleur. Le gaz formé est ensuite dirigé par la tuyauterie (34) vers la vanne d'inversion de cycle (31) placée en position chauffage. Le gaz se dirige ensuite par la tuyauterie (35) vers l'aspiration du compresseur pour former un nouveau cycle. Le détendeur (24) pourra être de type thermostatique (comme représenté) ou de type électronique. Le détendeur (25) a un rôle d'équilibrage de pression en mettant le condenseur (22) en équilibre de pression avec la basse pression du circuit frigorifique lorsque la vanne (21) est fermée. En fonctionnement chauffage et production d'eau chaude sanitaire, la vanne magnétique (21) est en position ouverte. Le gaz refoulé par le compresseur (20) cède sa chaleur de désurchauffe dans l'échangeur (10) du ballon et se dirige par la tuyauterie (32) vers la vanne d'inversion (31) puis par la tuyauterie (33) vers l'échangeur (22) qui joue le rôle de condenseur. La chaleur de condensation est cédée au fluide extérieur circulant dans celui-ci (S1, E1). Le liquide formé est ensuite détendu par le détendeur (25) pour se vaporiser dans l'évaporateur (28) dont le rôle est de prélever de la chaleur à la source froide (E2, S2). Le gaz formé est ensuite dirigé par la tuyauterie (34) vers la vanne d'inversion (31) puis par la tuyauterie (35) vers l'aspiration du compresseur pour former un nouveau cycle. Le détendeur (24) pourra être de type thermostatique (comme représenté) ou de type électronique ou encore de type capillaire. Le détendeur (24) quant à lui, ne se trouve pas alimenté en liquide haute pression mais en gaz désurchauffé, ce qui conduit à une circulation de fluide dans celui-ci tout à fait négligeable. En variante la vanne (21) pourra être une vanne trois voies dirigeant le fluide sortant de l'échangeur (10) soit vers le condenseur (22), soit vers le détendeur (24). On notera que le fluide extérieur à chauffer circulant dans le condenseur (22) pourra être de l'eau, de l'air ou tout type de fluide habituellement utilisé comme source chaude dans une pompe à chaleur. Le condenseur (22) pourra même être constitué de tubes directement noyés dans le plancher des habitations sans nécessiter la circulation d'un fluide extérieur. En fonctionnement rafraîchissement et production d'eau chaude sanitaire, la vanne magnétique (21) est en position ouverte. Le gaz refoulé par le compresseur (20) cède sa chaleur de désurchauffe dans l'échangeur (10) du ballon et se dirige par la tuyauterie (32) vers la vanne d'inversion (31) qui est alors placée en position froid. Dans ce cas le tiroir intérieur a glissé vers la droite (représenté en pointillé sur la figure). Le gaz passe par la tuyauterie (34) vers l'échangeur (28) qui joue le rôle de condenseur. La chaleur de condensation est cédée au fluide extérieur circulant dans celui-ci (S2, E2). Le liquide formé est ensuite détendu par le détendeur (25) pour se vaporiser dans l'évaporateur (22) dont le rôle est d'assurer la production de froid utile vers le fluide à refroidir (E1, S1). Le gaz formé est ensuite dirigé par la tuyauterie (33) vers la vanne d'inversion (31) puis par la tuyauterie (35) vers l'aspiration du compresseur pour former un nouveau cycle. Référons nous dès à présent à la figure 3 qui représente une variante de la figure 1 où l'échangeur d'eau chaude sanitaire intérieur au ballon (10) est remplacé par un échangeur (62) extérieur au ballon. Cette disposition permet de ne pas nécessiter de liaison frigorifique entre la pompe à chaleur et le ballon d'eau chaude. L'échangeur (62) est alimenté en partie haute, via la tuyauterie (11), par les gaz frigorigènes chauds refoulés par le compresseur (20). Le gaz frigorigène parcoure l'échangeur et ressort par la tuyauterie (13) pour continuer son cycle comme cela était pour l'échangeur (10) de la figure 1. Dans l'échangeur (62) circule à contre courant par thermosiphon l'eau du ballon (12). Celle-ci pénètre froide en partie basse de l'échangeur (62) par la tuyauterie (61) et ressort réchauffée dans le ballon par la tuyauterie (64). La tuyauterie (64) est fixée sur la bride (17) du ballon (12). L'ensemble de l'échangeur (62) et de ses raccordements au ballon sera calorifugé pour éviter les pertes de chaleur. Le ballon (12) est un ballon de type chauffe eau électrique sur la bride (17) duquel est fixée la résistance électrique de chauffage, non représentée, pouvant faire office de chauffage de secours pour l'eau sanitaire. La figure 4 représente le montage du ballon (12) sur la pompe à chaleur. Les deux tuyauteries de liaison (11) et (13) à l'échangeur situé dans le ballon sont reliées à la pompe à chaleur par deux raccords auto-obturables (ou operculables) (55) et (56). Ce mode de liaison permet de livrer sur chantier le système en deux éléments afin de faciliter la manutention. La configuration en échangeurs coaxiaux des deux échangeurs (22) et (28) permet d'envisager un appareil complet de forme cylindrique au diamètre de celui du ballon (12). Le compresseur (20) sera placé au centre des deux échangeurs coaxiaux et en partie supérieure, un espace sera réservé entre le ballon et les échangeurs coaxiaux pour loger les circulateurs (42) et (49), dans le cas où la pompe à chaleur serait de type eau leau. La figure 5 est un exemple de circuit hydraulique utilisable avec l'invention de la figure 1 et permettant pour une pompe à chaleur eauleau de faire circuler en été l'eau de la source froide directement dans le circuit de la source chaude afin d'assurer le rafraîchissement sans mettre en service la pompe à chaleur. En hiver le retour de l'eau de chauffage passe par la tuyauterie (43) pour pénétrer ensuite par la tuyauterie (46) dans le condenseur (22) de la pompe à chaleur. L'eau chauffée passe ensuite par la tuyauterie (40) vers un réchauffeur éventuel (41) pour être envoyée grâce au circulateur (42) dans le circuit de chauffage. Parallèlement, un circulateur (49) fait circuler l'eau de la source froide entre celle-ci et l'échangeur (28) en passant par les tuyauteries (50) et (47). La vanne trois voies (45) est ouverte sur la position (C) et fermée sur la position (F). Une tuyauterie d'équilibrage (52) relie le circuit froid et le circuit chaud ce qui permet dans le cas de planchers chauffants de se passer du vase d'expansion (44). En fonctionnement été, la pompe à chaleur est mise à l'arrêt et la circulation des deux sources est mélangée en cas de besoin de rafraîchissement, en effet la source froide se trouvant à une température de l'ordre de 10 C peut être utilisée directement pour assurer le rafraîchissement. La vanne trois voies (45) est alors en position (F) ouvert et (C) fermé. L'eau de retour intérieure passe par (43) puis par (48), est puisée vers la source froide par le circulateur (49), revient en (50), passe par (52) puis est aspirée dans la tuyauterie (40) par le circulateur (42) qui la distribue ensuite aux besoins. Une application particulièrement intéressante de l'invention est son utilisation dans les pompes à chaleur de type eauleau ou eau glycoléeleau destinées à l'habitat individuel afin d'assurer le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire. D'une manière générale et non limitative, l'invention s'applique dans tous systèmes thermodynamiques où deux échangeurs peuvent se trouver en série ou être séparés. L'invention peut également être utilisée dans des systèmes de chauffage et assurer la production gratuite d'eau glacée en été. REVENDICATIONS 1. Pompe à chaleur comportant un compresseur (20) et un échangeur (10) ou (62) de chauffage d'eau caractérisée en ce qu'elle comprend une vanne (21) permettant en position fermée, par équilibrage du détendeur (25), de maintenir la pression du circuit dans le condenseur (22) à la basse pression du circuit frigorifique. 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que la vanne (21) est de type magnétique à deux ou trois voies. 3. Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que la vanne (21) est placée sur la tuyauterie (32) ou (33) menant à la vanne d'inversion de cycle (31). 4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que la pompe à chaleur est de type eau/eau ou eau glycolée/eau. 5. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce le condenseur (22) est constitué de tubes noyées dans le plancher de la construction 6. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'échangeur (10) est placé dans le ballon (12). 7. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'échangeur de production d'eau chaude sanitaire (62) assure le chauffage de l'eau par thermosiphon. 8. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le circuit comporte deux détendeurs distincts (24) et (25) de type thermostatique, électronique ou à tube capillaire. 9. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que la pompe à chaleur placée sous le ballon (12) est circulaire et du même diamètre que le ballon. 10. installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le circuit hydraulique des sources chaude et froide comporte une vanne (45) permettant en cycle été de faire circuler ensemble l'eau des deux circuits et d'effectuer ainsi le refroidissement sans faire fonctionner le compresseur.