Brevet FR2878317A1 — publié le 20060526

La présente invention concerne un dispositif d'échange de chaleur pour une installation de chauffage géothermique. Elle s'adresse plus précisément à une installation comportant un premier circuit pour un fluide frigorigène, équipé d'un capteur tubulaire enterré et d'un compresseur, ainsi qu'un second circuit de liquide à chauffer, tel que de l'eau, comprenant un échangeur de chaleur. Dans cette installation, le fluide frigorigène provenant du capteur arrive au compresseur en phase vapeur, est comprimé par ce dernier en phase gazeuse, à pression et température élevées, cède une partie de sa chaleur latente au liquide à réchauffer qui circule dans ledlit échangeur, ressort en phase liquide à haute pression, puis retourne au capteur, via un détendeur, en phase gazeuse, ou mixte liquide-gaz, et à basse température, et l'échangeur consiste en une tubulure traversée par le liquide à réchauffer, à l'intérieur de laquelle passe au moins un conduit à paroi thermiquement conductrice transportant le fluide frigorigène provenant du compresseur. Un objectif premier de l'invention est de proposer un dispositif du type précité qui soit particulièrement compact et léger, adapté à un usage domestique, par exemple pour la production d'eau chaude. Un autre objectif de l'invention, mis en oeuvre dans un mode de réalisation préféré de l'invention, est d'améliorer sensiblement la durée de vie du compresseur en en contrôlant la température, afin d'éviter une surchauffe de l'huile contenue dans le compresseur, qui sert à en lubrifier les organes rotatifs. Cette surchauffe, qui entraîne une dégradation physico-chimique de l'huile, est une cause traditionnelle d'usure prématurée du compresseur et, corrélativement, de dysfonctionnement de l'installation à court ou moyen terme. Selon une caractéristique principale de l'invention, d'une part, ledit compresseur a une forme allongée, approximativement cylindrique, d'axe sensiblement horizontal, ou voisin de l'horizontale, et, d'autre part, ladite tubulure affecte la forme d'un enroulement d'axe vertical, à spires superposées, qui délimite un espace intérieur ouvert vers le bas et vers le haut, le compresseur étant disposé à l'intérieur de cet espace. Cet agencement confère au dispositif un encombrement réduit. Par ailleurs, selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses, mais non limitatives, de l'invention: - ledit enroulement présente, vu de dessus, une forme sensiblement rectangulaire, dont le grand axe coïncide sensiblement avec celui du compresseur; - le conduit acheminant le fluide frigorigène provenant du compresseur à travers ladite tubulure d'échangeur est subdivisé en plusieurs conduits secondaires branchés en parallèle; ladite tubulure d'échangeur affectant la forme d'un enroulement et ledit compresseur disposé à l'intérieur de celui-ci sont logés à l'intérieur d'un 10 caisson. Selon un mode de réalisation préféré, visant à augmenter la longévité du compresseur, ce dernier est séparé de la tubulure d'échangeur qui l'entoure par un espace périphérique, et le dispositif comporte un ventilateur électrique apte à générer un flux d'air passant par cet espace périphérique afin de lécher la paroi de carter du compresseur et le refroidir. Ce flux est de préférence, mais non nécessairement, ascendant. Dans ce cas, de manière particulièrement avantageuse, le carter du compresseur est muni d'une sonde de température, et le dispositif comporte un dispositif de commande dudit ventilateur qui est asservi à la mesure de température faite par ladite sonde. Selon des caractéristiques additionnelles possibles: - le dispositif de commande est adapté pour actionner le ventilateur lorsque la température mesurée par la sonde de température excède une valeur seuil déterminée, et pour l'arrêter lorsque cette température s'est abaissée en deçà de cette valeur seuil; - le ventilateur est entraîné par un moteur électrique à vitesse variable, le dispositif de commande étant adapté pour faire varier sa vitesse de façon proportionnelle à la température mesurée par la sonde; - la tubulure d'échangeur et le compresseur disposé à l'intérieur de celui-ci étant logés à l'intérieur d'un caisson, celui- ci comporte des parois inférieure et supérieure horizontales percées chacune d'une ouverture autorisant le passage du flux d'air ascendant généré par le ventilateur, ce dernier étant positionné sur ladite paroi supérieure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à 35 la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré de l'invention. Cette description est faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: _; - la figure 1 est une vue générale schématique d'une installation de chauffage géothermique équipée d'un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue éclatée, schématique et en perspective, de 5 l'enroulement d'échangeur et du compresseur; - La figure 3 est une vue en coupe transversale de la tubulure d'échangeur; - la figure 4 est une vue de dessus, en coupe axiale, de la tubulure d'échangeur, le plan de coupe étant désigné IV-IV sur la figure 3; - les figures 5 et 6 sont des vues simplifiées, respectivement de côté et de face, d'un dispositif conforme à l'invention monté dans un caisson. En référence à la figure 1, nous allons maintenant décrire une installation de chauffage géothermique à laquelle s'applique le dispositif de l'invention, désigné 1. Ce dispositif est composé d'un compresseur 2 associé à un échangeur de chaleur 3. Le compresseur 2 est muni de pattes de fixation 20. L'installation comprend un premier circuit 4-5-6 pour un fluide frigorigène, équipé d'un capteur tubulaire enterré 4, et un second circuit 7 pour le liquide à chauffer, tel que de l'eau. Le capteur 4 est un capteur tubulaire de type connu, en forme de serpentin s'inscrivant dans un plan horizontal, ou approximativement horizontal, qui est enterré à l'extérieur d'une habitation, généralement dans une partie de jardin J, à une profondeur de l'ordre de 0,6 à 0,7 m. Il est constitué par exemple d'un tube en polyéthylène, ou en cuivre enrobé dans une gaine de polyéthylène. A titre indicatif, sa longueur peut être de l'ordre de 60 à 80 m environ et son diamètre intérieur compris entre 8 et 10 mm environ. Le fluide frigorigène est par exemple un HFC (Hydro-Fluoro-Carbone) . Le dispositif 1 est situé à l'intérieur de l'habitation. Le capteur tubulaire 4 est connecté par une partie 5, dite retour à l'entrée 21 du compresseur 2 et par une partie 6, dite départ à la sortie 22 de ce dernier. Comme on le verra plus loin, l'échangeur 3 est une tubulure enroulée sur elle même sur quelques spires (trois ou quatre), à l'intérieur de laquelle passe l'eau à réchauffer. A cet effet, le second circuit 7 comprend un tuyau d'arrivée 70 branché à une extrémité 700 de l'échangeur, et un tuyau de sortie 71 branché à son extrémité opposée 710. L'eau froide EF arrive par le tuyau 70, provenant par exemple du réseau de distribution d'eau potable. L'eau chaude EC en ressort par le tuyau 71, via un circulateur 72, pour une utilisation quelconque, par exemple pour alimenter un ballon d'eau chaude sanitaire ou un radiateur. La partie 6 du premier circuit, véhiculant le fluide frigorigène, traverse également la tubulure 3 d'échangeur. La portion de la partie 6 qui passe dans cette tubulure possède une paroi thermiquement bonne conductrice, par exemple en cuivre (gainé). Dans le mode de réalisation illustré, cette portion est en fait constituée de trois conduits élémentaires 63, 65, 66, montés en parallèle; la somme des aires de leur section est égale à l'aire de la section du conduit 6, de manière à ne pas perturber le débit de circulation du fluide frigorigène dans ladite portion. Cette subdivision permet d'augmenter la surface de contact entre la paroi des conduits dans lesquels circule le fluide frigorigène et l'eau qui les entoure, ce qui favorise l'échange thermique. De préférence, comme illustré sur la figure 4, les trois conduits 20 élémentaires 63, 65, 66 sont enroulés en hélice et entrelacés, afin également d'améliorer la qualité de l'échange thermique. Un agencement de ce genre est connu en soi. Le compresseur 2 est entraîné électriquement, au moyen d'un moteur électrique intégré ; la référence 23 désigne ses bornes de connexion à une source de courant électrique 10, via des câbles 11, 12 (représentés par des lignes en traits interrompus) et un circuit de commande approprié 13. Dans cette installation, le fluide frigorigène provenant du capteur 4 passe dans la partie de circuit retour 5, où son sens de déplacement est symbolisé par les flèches a, et arrive au compresseur 2 en phase vapeur. Dans le compresseur, il est fortement comprimé, de sorte qu'il est porté à une température relativement haute, à titre indicatif de l'ordre de 80 C. Cette vapeur surchauffée sort du compresseur (flèches b) et pénètre dans la tubulure d'échangeur 3, qu'elle traverse d'une extrémité à l'autre, à l'intérieur des conduits élémentaires 63, 64, 65. Au cours de ce trajet, il se produit un échange thermique avec l'eau qui circule en sens contraire dans la tubulure 3, ce qui provoque la condensation de la vapeur, qui cède une partie de sa chaleur latente à cette eau, la condensation étant un phénomène exothermique. C'est donc de l'eau chaude EC qui sort de la tubulure 3 par le tuyau 71. A titre indicatif, la circulation de l'eau à l'intérieur de l'échangeur, provoque à chacun de ses passages une élévation de sa température de l'ordre de 3 à 4 C. Le fluide frigorigène quittant l'échangeur est, quant à lui, en phase liquide, à haute pression. Il retourne au capteur 4 (flèches c) après avoir traversé successivement, de manière connue, un filtre déshydrateur 60, un échangeur de chaleur 61 et un détendeur 62. L'échangeur 61 réalise un échange calorifique entre les parties retour 5 et départ 6 de manière à assurer l'évaporation des poches liquides éventuelles subsistantes dans le fluide frigorigène qui se dirige vers le compresseur, assurant que ce fluide est intégralement en phase vapeur. Il permet également d'améliorer le rendement de l'installation, en récupérant une partie de la chaleur résiduelle qui repart vers le capteur. Le détendeur 62 abaisse la pression du fluide, de sorte que c'est un 20 mélange liquide-gaz froid et à basse pression qui parvient au capteur. Lors de son parcours dans le capteur enterré 4, le fluide frigorigène récupère des calories du sol, et est progressivement réchauffé et complètement vaporisé, de sorte qu'il en ressort en phase vapeur réchauffée. Comme illustré sur la figure 2, conformément à l'invention: -d'une part, le compresseur 2 utilisé est de forme allongée, approximativement cylindrique, d'axe X-X' voisin de l'horizontale (compresseur dit couché ) ; - d'autre part, la tubulure d'échangeur 3 est conformée de telle sorte qu'elle comprend un enroulement de quelques spires superposées 30, d'axe vertical 30 Z-Z'. Vu de dessus, l'enroulement a une forme sensiblement rectangulaire, à angles arrondis, en quart de cercle (voir figure 1) ; ses portions d'extrémité 31, 32 portent les embouts 700, 710 de raccordement au circuit d'eau 7. Les figures 3 et 4 montrent la structure interne de la tubulure 3. Elle a une section circulaire. Elle comprend un tube 33, par exemple en cuivre, entouré d'un fourreau souple 34 en matière isolante, afin d'éviter les déperditions de chaleur hors de cet échangeur. Ces figures montrent également la disposition des conduits élémentaires hélicoïdaux 63, 64 et 65 du circuit du fluide frigorigène. L'eau à réchauffer passe à l'intérieur du tube 33, entourant ces conduits. A titre indicatif, les dimensions externes du rectangle formé par l'enroulement sont de l'ordre de 300 x 400 mm. Le fourreau 3 a un diamètre extérieur de 60 mm. Le tube 33 a un diamètre extérieur de 22 mm et intérieur de 20 mm. Les conduits élémentaires 63, 64 et 65 ont un diamètre extérieur de 6 10 mm et intérieur de 4,5 mm. Le compresseur mis en oeuvre est par exemple le modèle de compresseur hermétique commercialisé par la société TECUMSEH EUROPE sous la dénomination commerciale L'UNITÉ HERMETIQUE (marque déposée) et portant la référence HGA4476Y. Ce modèle a une longueur hors tout de 283 mm, une hauteur hors tout de 184 mm environ, et possède un corps de carter cylindrique de 122 mm environ. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, ce compresseur couché 2 est logé à l'intérieur de l'enroulement 3, à peu près à mi hauteur de celui-ci. Son axe X-X' s'inscrit dans le plan correspondant au grand axe du rectangle de l'enroulement (voir figure 1). En pratique, l'axe X-X' peut être légèrement incliné par rapport à l'horizontale (voir figure 5). Le dispositif composé du compresseur 2 et de l'échangeur 3 est monté à l'intérieur d'un caisson 8, visible sur les figures 5 et 6. Il s'agit d'un caisson affectant la forme d'un parallélépipède rectangle (ou carré), comprenant une armature métallique 80 recouverte d'un capotage; celui-ci est composé de parois sous forme de plaques supérieure et inférieures (horizontale) 81, respectivement 82, et de plaques latérales périphériques (verticales) 83. Les plaques 81 et 82 sont percées d'une ouverture centrale circulaire 801, respectivement 802, qui possède avantageusement un petit rebord formant manchette tourné vers l'extérieur du caisson. Ces ouvertures sont centrées sur l'axe vertical Z-Z' de l'enroulement d'échangeur 3. Le compresseur est fixé à l'intérieur du caisson dans une position centrée, à mi hauteur de celui-ci. Cette fixation est assurée par des organes de montage approprié, tels que des tiges 85 reliées à l'armature du caisson et sur lesquelles sont fixées les pattes de fixation 20 du compresseur. Des moyens de fixation et de centrage appropriés, non représentés, maintiennent convenablement l'enroulement 3 dans le caisson, autour du compresseur 2, ceci avec un certain espacement, ce qui ménage un espace périphérique autour du compresseur et à l'intérieur de l'enroulement. Le caisson 8 possède des pieds d'appui 84 par lesquels il repose, dans l'exemple illustré, sur une console C en équerre, fixée au mur M d'une habitation par des vis V. Dans une variante possible, le caisson est pourvu d'organes de fixation appropriés permettant sa fixation directe au mur. Sur le dessus du caisson 8 est monté un ventilateur électrique 9, supporté par des pattes de fixation appropriées 91, dont les pales 90 surplombent l'ouverture 801 de la plaque 81. Le ventilateur 9 est alimenté en courant électrique à partir de la source 10 précitée, via un circuit de commande 101. Il s'agit de préférence d'un ventilateur à vitesse variable, dont la valeur est définie par le circuit de commande. Lorsqu'il est en marche, il génère un flux d'air ascendant, prélevé sous le caisson, pénétrant à l'intérieur du caisson par l'ouverture inférieure 802 (flèches F, figure 6), passant dans l'espace périphérique à l'intérieur de l'enroulement 3 autour du compresseur 2, en en léchant la paroi, et enfin ressortant vers le haut à travers l'ouverture supérieure 801 (flèches G, figure 6). En fonctionnement, le compresseur est normalement porté à une température relativement élevée qui, à titre indicatif peut atteindre une valeur de l'ordre de 70 à 80 C au niveau de la paroi de son carter. L'huile hermétiquement contenue dans ce carter, qui assure la 25 lubrification des pièces mobiles, est donc soumise à une température élevée, néfaste à la conservation de ses qualités physico-chimiques. Grâce à la mise en oeuvre du ventilateur 9, cette température peut être maintenue à un niveau sensiblement plus bas, par exemple dans une fourchette comprise entre 30 et 45 C, du fait que le flux d'air qui lèche le compresseur est à une température ambiante et par conséquent le refroidit. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le fonctionnement du ventilateur est asservi à la température effective du compresseur. Dans le mode de réalisation illustré, une sonde de température 100 35 est fixée sur la paroi du carter 2, de préférence dans sa partie basse (en vis-à-vis du bain d'huile). Cette sonde 100 est adaptée pour fournir au circuit de commande 101 un signal électrique représentatif de la valeur de température mesurée. Le circuit 101 est programmé pour assurer la mise en route du moteur du ventilateur lorsque la température ainsi mesurée excède une certaine valeur seuil prédéterminée, par exemple égale à 40 C, et pour en réguler la vitesse de rotation - et, corrélativement le débit du flux d'air de refroidissement -, de telle manière que cette valeur demeure constamment dans à l'intérieur d'une fourchette donnée, par exemple comprise entre 30 et 45 C. En pratique, la plupart des composants de l'installation qui se trouvent à l'intérieur de l'habitation, tels que les dispositifs de commande électriques 13 et 101, le déshydrateur 60, l'échangeur 61 et le détendeur 62 sont également avantageusement montés dans le caisson 8, les différents organes de commande, de réglage et de contrôle utiles au bon fonctionnement de l'installation pouvant être regroupés sur la façade dudit caisson, de manière à être facilement accessible aux usagers. Un tel caisson est compact, relativement léger, et autonome. Il peut être aisément transporté, manipulé et installé dans une pièce, par exemple contre un mur à proximité d'un ballon de production d'eau chaude. Le flux d'air qui assure le refroidissement du compresseur est naturellement réchauffé par celui-ci; comme cet air circule en boucle, il assure un certain chauffage de la pièce ou, à tout le moins, participe à son chauffage. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échange de chaleur pour installation de chauffage géothermique, ladite installation comportant un premier circuit pour un fluide frigorigène, équipé d'un capteur tubulaire enterré (4) et d'un compresseur (2), ainsi qu'un second circuit de liquide à chauffer, tel que de l'eau, comprenant un échangeur de chaleur (3), installation dans laquelle le fluide frigorigène provenant du capteur (4) arrive au compresseur (2) en phase vapeur, est comprimé par ce dernier en phase gazeuse, à pression et température élevées, cède une partie de sa chaleur latente au liquide à réchauffer qui circule dans ledit échangeur (3), ressort en phase liquide à haute pression, puis retourne au capteur (4), via un détendeur (62), en phase gazeuse ou mixte liquide-gaz, et à basse température, ledit échangeur (3) consistant en une tubulure traversée par le liquide à réchauffer, à l'intérieur de laquelle passe au moins un conduit (63, 64, 65) à paroi thermiquement conductrice transportant le fluide frigorigène provenant du compresseur (2), caractérisé par le fait que, d'une part, ledit compresseur (2) a une forme allongée, approximativement cylindrique, d'axe (X-X') sensiblement horizontal, ou voisin de l'horizontale, et que, d'autre part, ladite tubulure (3) affecte la forme d'un enroulement d'axe vertical (Z-Z'), à spires superposées, qui délimite un espace intérieur ouvert vers le bas et vers le haut, le compresseur (2) étant disposé à l'intérieur de cet espace. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit enroulement présente, vu de dessus, une forme sensiblement rectangulaire, dont le grand axe coïncide sensiblement avec celui (X-X') du compresseur (2). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le conduit (6) acheminant le fluide frigorigène provenant du compresseur (2) à travers ladite tubulure d'échangeur (3) est subdivisé en plusieurs conduits secondaires (63, 64, 65) branchés en parallèle. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ladite tubulure d'échangeur (3) affectant la forme d'un enroulement et ledit compresseur (2) disposé à l'intérieur de celui-ci sont logés à l'intérieur d'un caisson (8). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ledit compresseur (2) est séparé de la tubulure d'échangeur (3) qui l'entoure par un espace périphérique, et que le dispositif comporte un ventilateur électrique (9) apte à générer un flux d'air, de préférence ascendant, passant par cet espace périphérique afin de lécher la paroi de carter du compresseur (2) et le refroidir. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le carter dudit compresseur (2) est muni d'une sonde de température (100) et que le dispositif comporte un dispositif 101) de commande dudit ventilateur (9) qui est asservi à la mesure de température faite par ladite sonde (100). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit dispositif de commande est adapté pour actionner ledit ventilateur (9) lorsque la température mesurée par la sonde de température (100) excède une valeur seuil déterminée, et pour l'arrêter lorsque cette température s'est abaissée en deçà de cette valeur seuil. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit ventilateur (9) est entraîné par un moteur électrique à vitesse variable, ledit dispositif de commande (101) étant adapté pour faire varier sa vitesse de façon proportionnelle à la température mesurée par la sonde (100). 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel la tubulure d'échangeur (3) et le compresseur (2) disposé à l'intérieur de celui-ci sont logés à l'intérieur d'un caisson (8), caractérisé par le fait que ce caisson comporte des parois inférieure (82) et supérieure (81) horizontales percées d'une ouverture (802; 801) autorisant le passage du flux d'air ascendant généré par le ventilateur (9), ce dernier étant positionné sur ladite paroi supérieure (81).