Brevet FR2915052A1 — publié le 20081017

Domaine de l'invention La présente invention concerne un appareil de chauffage avec une surface émissive notamment en forme de panneau, comprenant - un élément de chauffage ayant un réservoir recevant un faible volume de liquide à changement de phase et faible température d'ébullition, et un organe de chauffage pour le liquide du réservoir, une enveloppe fermée constituant la surface émissive surmontant le réservoir et communiquant avec celui-ci pour former une enceinte hermétique résistant à la pression, pour la vapeur de liquide et le 1 o condensat. Etat de la technique Il existe différents systèmes d'appareils de chauffage électriques notamment en forme de panneau à usage domestique pour le grand public. Ces appareils de chauffage utilisent soit la corivexion soit le rayon- 15 nement. Les convecteurs électriques sont constitués par un boîtier logeant une résistance électrique qui chauffe de l'air mis en circulation, entrant en partie basse dans le boîtier et sortant, en partie haute. Les appareils travaillant par rayonnement ont une surface 20 émissive constituée par une enceinte contenant un volume de liquide chauffé par un thermoplongeur comme par exemple, les radiateurs sèche-serviettes de salles de bains. Il existe également des appareils de chauffage par rayonnement comportant des éléments solides en céramique, en aluminium ou en fonte avec des résistances électriques incluses. Ces appa-25 reils sont appelés systèmes à inertie sec par opposition aux autres systèmes à inertie fluide . Ces appareils de chauffage utilisent des résistances électriques d'une puissance allant de 500 à 2 500 Watts. L'inertie thermique de ces appareils est relativement grande 30 ce qui réduit l'efficacité de la régulation et se traduit par une consommation électrique assez importante qui ne peut se réduire que de façon Limitée par la régulation électromécanique ou électronique programmable ou non programmable. Un appareil de chauffage du type défini ci-dessus est connu 35 selon le document FR 2 654 808 qui décrit un radiateur à résistance élec- trique utilisant un fluide diphasique dont la phase liquide est située dans la partie inférieure qui constitue une réserve et un élément électrique chauffant qui s'étend dans la réserve pour faire évaporer le liquide. Mais cet appareil a un fonctionnement relativement irrégulier lié au manque d'homogénéité de la température de la surface émissive. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un appareil de chauffage diphasique du type défini ci-dessus, à surface émissive à température très régulière, efficace, permettant de réduire de manière importante la consommation d'énergie pour une même qualité de chauffage et qui soit de construction simple et économique. Exposé et avantagé de l'invention A cet effet, la présente invention concerne un appareil de chauffage caractérisé par un canal de condensation débouchant dans la partie haute de l'enceinte et relié au réservoir. Grâce au canal de condensation débouchant dans la partie haute de l'enceinte et relié au réservoir pour former un piège à conder.Lsat dans lequel la vapeur se condense pour descendre dans le canal et réalimenter le réservoir afin que celui-ci soit en permanence alimenté et liquide dans les conditions normales de fonctionnement de l'appareil (en l'absence de surchauffe, détectée par la commande de l'appareil). La ré alimentation permanente du réservoir assure la mise en circulation de la vapeur régularisant considérablement la température de fonctionnement de l'appareil, ce qui est particulièrement avantageux pour l'effet de chauffage et l'impression physiologique de confort assuré par cet appareil de chauffage tout en réduisant considérablement la puissance consommée par une meilleure utilisation celle-ci. L'appareil de chauffage selon l'invention a l'avantage d'être d'une réalisation extrêmement simple et d'un fonctionnement efficace, grâce à sa faible inertie thermique. Cette faible inertie thermique est en outre particulièrement intéressante pour la mise en température rapide de l'ensemble de la surface émissive constituée par le panneau ; le liquide caloporteur utilisé dans les appareils de chauffage électrique à inertie fluide est remplacé par la vapeur chaude qui se répartit rapidement sur toute la surface d'échange de chaleur et surtout régularise automatique-ment la température de cette surface de chauffe puisque les points qui pourraient être froids constituent des points de condensation et de ce fait se réchaufferont préférentiellement aux autres parties de la surface d'échange de chaleur par la circulation forcée de la vapeur grâce au canal de cendensation ; ainsi, la surface émissive formée par le panneau prend très rapidement une température uniforme. Cette uniformité de la tempé- rature assure un échange efficace de chaleur avec l'extérieur principale-ment par rayonnement. La régularité de la température de l'ensemble de la surface émissive du panneau réalise un chauffage très confortable du fait de la grande surface de rayonnement et régularise l'évolution de la température. Le liquide à changement de phase (liquide diphasique), à faible température d'ébullition, peut être un liquide passant à l'état de va-peur à une température relativement faible et à pression ambiante ornais aussi un liquide à faible température d'ébullition à pression très faible, par exemple de l'eau placée dans l'enceinte dans laquelle on a réalisé un certain vide. L'inertie thermique très faible est également avantageuse pour la régulation automatique de l'appareil en fonction d'une température de consigne. L'abaissement de température rapide du panneau à l'arrêt de l'organe de chauffage réduit les pertes et permet globalement un suivi très précis d'un chauffage programmé. En fonction de sa puissance, l'appareil de chauffage comporte plusieurs canaux de condensation de préférence installés sur les côtés de l'appareil dans le cas où il s'agit d'un panneau. Ces canaux peuvent être intégrés dans l'appareil ou constitués un élément extérieur sous la forme d'un tube de faible section, par exemple placé à l'arrière de l'enceinte, notamment du panneau. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'enveloppe fermée est un panneau plan mais il peu également s'agir d'un panneau en forme de surface développable telle qu'une surface cylindrique ouverte ou fermée ou une surface conique en fonction de l'implantation de l'appareil de chauffage. Cette grande diversité de formes est rendue possible par le fluide caloporteur qui est de la vapeur et par la très grande régularité de la température de la surface émissive de l'enveloppe fermée. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'enveloppe comporte des chemins de circulation de la vapeur en forme de cheminées du dessus du réservoir et du niveau de liquide. Ces cheminées régularisent la répartition de la vapeur sur toute la surface pour éviter les chemins préférentiels en général les plus directs entre la source de vapeur et la surface de condensation. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la commande comporte un thermostat et/ou un système de régulation électromécanique ou électronique, programmable ou non programmable et/ ou des moyens de protection pour éviter la surchauffe. Pour des raisons de sécurité suivant la réglementation, la température de La surface émissive, c'est-à-dire du panneau ne dépasse pas une certaine température, ;par exemple de 60 C. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'organe de chauffage est une résistance électrique, une source de lumière halogène, c'est-à-dire un semi-conducteur de puissance, une diode ou un échangeur de chaleur relié à un circuit extérieur de fluide caloporteur, alimentant plusieurs appareils de chauffage à partir d'une source de chaleur telle qu'un foyer. L'organe de chauffage est intégré au réservoir et immergé dans le liquide. Mais il peut également s'agir d'un organe de chauffage extérieur au réservoir, de façon à pouvoir réaliser l'enceinte, y compris le réservoir, de manière scellée et laisser l'organe de chauffage à l'extérieur ce qui le rend indépendant pour son remplacement. Le réservoir peut égale- ment être constitué par une surface transparente et l'organe de chauffage, une source de rayonnement chauffant le liquide du réservoir à travers la paroi transparente. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus 20 détaillée à l'aide de modes de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue simplifiée d'un appareil de chauffage selon un premier mode de réalisation, - la figure 2 est une vue simplifiée d'un autre mode de réalisation, 25 - la figure 3 est une vue schématique analogue à celle de la figure 1, d'un appareil de chauffage relié à un circuit extérieur de fluide caloporteur, la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 2 d'un autre mode de réalisation d'un appareil de chauffage relié à un circuit extérieur de fluide caloporteur.. 30 Description de modes de réalisation La figure 1 montre un premier mode de réalisation d'un appareil de chauffage électrique en forme de panneau constituant la surface émissive comprenant un organe de chauffage 100 alimentant une enveloppe fermée 200 en étant géré par une commande 300. Cet appareil de 35 chauffage fonctionne principalement en rayonnement, la convexion ne représentant qu'une faible part de l'échange de chaleur. Le rayonnement est émis par la surface émissive formée par le panneau, notamment la face avant de celui-ci. L'élément de chauffage 100 est constitué par un réservoir 110 de faible volume, dans lequel se trouve un organe de chauffage 120 schématisé par une résistance électrique. L'organe de chauffage 100 peut également être installé à l'extérieur du réservoir 110 5 pour que l'enceinte formée par le panneau 210 et le réservoir 110 avec le liquide, puisse être scellée en laissant l'organe de chauffage accessible pour son installation ou son remplacement. Dans ce cas, le réservoir peut être avantageusement transparent et l'organe de chauffage, une lampe halogène. Le réservoir 110 reçoit un liquide à changement de phase (ou liquide diphasique), à faible température d'ébullition tel qu'un liquide organique, par exemple un alcool ou de l'éther ou un HCFC ou encore un liquide à faible température d'ébullition, à pression de vapeur faible, voire très faible comme de l'eau. Le réservoir 110 alimente en vapeur, l'enveloppe 200, représentée ici en forme de panneau notamment plan, 15 surmontant le réservoir 110 et communiquant avec celui-ci. Cette enveloppe fermée 200 est une enceinte hermétique, résistant à une pression interne de l'ordre de quelques bars, par exemple 3,5 bars en régime maximum ; elle est destinée à travailler à une température maximale en régime qui serait de 50 à 60 C. Selon certaines réglementations, la tem-20 pérature maximale de la surface émissive que l'on peut toucher est de 60 C pour éviter les accidents par brûlure. Le panneau 210, de forme rectangulaire ou carrée dans cet exemple, est bordé par deux canaux de condensation 220, ouverts en partie haute de l'enceinte. Les canaux forment des pièges de condensation car 25 séparés de la circulation directe de vapeur émise par le réservoir, ils sont des zones froides dans lesquelles la vapeur se condense et descend pour réalimenter le réservoir 100. Le renouvellement de la vapeur dans le ou les canaux se fait par l'équilibre des pressions et crée une circulation de fluides (vapeur, condensat) permettent une très grande régularité de température pour la surface émissive. Par souci d'homogénéisation, il est préférable de prévoir un canal de condensation de chaque côté. On peut également ne prévoir qu'un canal de condensation. Enfin, le ou les canai : de condensation peuvent être réalisés derrière le panneau. 35 Le panneau 210 formant la surface émissive, peut être en une seule matière, par exemple en tôle soudée ou en deux matières, :'une relativement isolante et l'autre conductrice de chaleur de façon que seule la face avant soit émissive et que la face arrière soit isolante. L'enceinte 200 ainsi formée est scellée de manière étanche pour que le fluide l:.quide / vapeur circule en boucle dans le panneau en fonction de l'énergie fournie par l'organe de chauffage 120, dépendant de la température de consigne fixée. Cet organe de chauffage 120 est une résistance mais il peut également s'agir d'un autre composant électrique/électronique dégageant de la chaleur tel qu'une lampe halogène. La commande 300 règle le fonctionnement de l'appareil et sa mise en sécurité. La commande comporte un thermostat réglable 310 permettant de fixer une température de consigne. Elle est également reliée à un capteur de pression 320 installé dans l'enceinte et surveillant la pression pour éviter toute surpression ainsi qu'un capteur de niveau de liquide 330 pour que l'organe de chauffe ne fonctionne que si le réservoir 110 contient un niveau suffisant de liquide et assure un contrôle de l'absence de liquide. Un capteur de température 340 surveille la température de la surface émissive. L'appareil de chauffage décrit ci-dessus avec une enveloppe 200 en forme de panneau peut avoir une forme autre que plane. La figure 2 montre un autre mode de réalisation d'un appa- reil de chauffage électrique également avec une enveloppe 200A en forme de panneau 210A. En partie basse, il comporte le réservoir 110A avec l'élément de chauffage 120A. Le réservoir 110A communique avec l'enceinte 200A dans laquelle il débouche pour le passage de la vapeur. Le panneau 210A comporte des cheminées 211A par les- quelles remonte la vapeur. Les cheminées 21 lA sont situées au-dessus du niveau de liquide 11 lA du réservoir 110A pour que la vapeur seule arrive dans les cheminées et puisse se répartir librement sans être bloquée par un bouchon de liquide. L'enveloppe 200A est bordée par deux canaux de condensation 220A dont l'entrée est en partie haute de l'enceinte et qui sont reliés en partie basse, au réservoir 110A. La vapeur se condense ainsi de préférence dans ces canaux, notamment de faible section, pour y des-cendre à l'état de condensat et en étant également poussée par le renouvellement de vapeur dégagée par le réservoir et l'organe de chauffage. Le canal de condensation 220A est, de préférence, comme ici, un canal exté- rieur en forme de tube constituant une zone d'autant plus froide qu'il est à l'extérieur et échange plus rapidement la chaleur que s'il était dans le panneau ; il piège ainsi la vapeur et la condense pour réalimenter le réservoir 110A. Le recyclage de la vapeur par condensation dans le canal 220A permet de créer une circulation de vapeur à température très stable et uniforme. De façon avantageuse, le ou les canaux de condensation sont réalisés dans le panneau lui-même de préférence formé par l'assemblage de deux tôles embouties avec les différentes formes. Le panneau 210A est équipé d'une commande 300A qui gère le fonctionnement pour la régulation de la température à l'aide d'un thermostat et les fonctions de sécurité, pour régler la pression à une va-leur maximale, par exemple 3,5 bars et éviter le fonctionnement de l'organe de chauffage 120A en l'absence de liquide, si celui-ci est complètement vaporisé. Le panneau 210A est formé par l'assemblage de deux plaques, par exemple en tôle, mises en forme pour avoir des cheminées 21 lA et des surfaces intermédiaires 212A soit découpées, soit constituées par la matière et augmentant la surface d'émission, principalement par rayon- 15 nement. Le volume de liquide dans l'appareil de chauffage quel que soit son mode de réalisation, est défini en fonction de la forme du panneau et de la puissance demandée à l'appareil de chauffage. Plusieurs panneaux peuvent être combinés à une seule ré- 20 gulation de température et être gérés par un thermostat unique, les fonctions de sécurité restant propres à chaque appareil telles que la sécurité en cas d'évaporation totale du liquide, coupant l'organe de chauffage ou encore de limitation de la pression à l'intérieur du panneau pour ne pas dépasser une pression par exemple de 3,5 bars. 25 Cela permet une conception modulaire d'une installation de chauffage avec des éléments modulaires constitués chacun comme ceux représentés aux figures 1 ou 2 et correspondant à une puissance élémentaire. La combinaison de deux ou plusieurs panneaux permet d'obtenir une gamme de puissances. 30 La figure 3 montre une variante de réalisation de l'appareil de chauffage 200 de la figure 1, relié à un circuit extérieur de fluide calo-porteur alimentant un ou plusieurs appareils de chauffage de ce type. Les éléments identiques à ceux du mode de réalisation de la figl portent les mêmes références et leur description ne sera pas reprise 35 de manière détaillée. L'appareil de chauffage comporte un organe de chauffage 100C constitué par un échangeur de chaleur traversé par un fluide caloporteur du circuit extérieur de fluide caloporteur. Le circuit de fluide caloporteur est alimenté par une source de chaleur 400 telle qu'un foyer, une pompe à chaleur, une source de chaleur géodésique ou autre système de récupération de chaleur, reliée à un circuit de distribution formé par une conduite d'aller 410 et une conduite de retour 420. L'appareil est ali- menté par l'intermédiaire d'une vanne 430 reliée à la conduite d'aller 410. Cette vanne est gérée par la commande 300. La sortie de l'organe de chauffage 100 est reliée par une conduite 432 à la conduite de retour 420 retournant à la source de chaleur 400. La figure 4 montre un mode de réalisaton d'un appareil de chauffage comme celui de la figure 2 mais alimenté par un circuit extérieur de fluide caloporteur comme celui de la figure 3. Les éléments identiques à ceux de la figure 2 portent les mêmes références et leur description détaillée ne sera pas reprise. Le circuit de fluide caloporteur est composé d'une source de chaleur 400, d'une conduite d'aller 410 et d'une conduite de retour 420. L'organe de chauffage 100D de cet appareil de chauffage est relié à la conduite d'aller 410 par une vanne reliée à la commande 300A et la sortie de l'organe de chauffage 100D est reliée à l'a conduite de retour 420 La source de chaleur 400 est un foyer, un échangeur de chaleur tel qu'un échangeur air/eau ou une source de chaleur géodésique. 20 REVENDICATIONS 1 ) Appareil de chauffage avec une surface émissive notamment en forme de panneau, comprenant - un élément de chauffage (100) ayant * un réservoir (110) recevant un faible volume de liquide à change-ment de phase et faible température d'ébullition, et * un organe de chauffage (120) pour le liquide du réservoir (110), - une enveloppe fermée (200) constituant la surface émissive (210) surmontant le réservoir (110) et communiquant avec celui-ci pour former une enceinte hermétique résistant à la pression, pour la vapeur de liquide et le condensat, caractérisé par un canal de condensation (220, 220A) débouchant dans la partie haute de 15 l'enceinte et relié au réservoir (110, 110A). 2 ) Appareil de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de chauffage (120, 120A) est installé dans le réservoir (110, 110A). 3 ) Appareil de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce cue l'enveloppe fermée est un panneau plan. 25 4 ) Appareil de chauffage selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce cue le canal de condensation (220) est formé de deux conduites occupant les bords verticaux extérieurs de l'enveloppe en forme de panneau. 30 5 ) Appareil de chauffage selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce cue le canal de condensation est constitué par deux tubes (220A), extérieurs au panneau près des bords verticaux de celui-ci. 35 6 ) Appareil de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce cuel'enveloppe (200A) comporte des chemins de circulation de la vapeur, en forme de cheminées (211A) au dessus du réservoir (110A) et au dessus du niveau du liquide dans le réservoir. 7 ) Appareil de chauffage selon la revendication 1, caractérisé par une commande (300, 300A) reliée à l'organe de chauffage (120, 120A), comportant un thermostat et/ ou un système de régulation électromécanique ou électronique programmable ou non programmable et/ou des moyens de protection pour éviter la surchauffe ou la montée en pression de la vapeur. 8 ) Appareil de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de chauffage (120, 120A) est une résistance électrique, une lampe halogène, une diode ou un échangeur de chaleur relié à un circuit extérieur de fluide caloporteur. 9 ) Appareil de chauffage selon la revendication 1, 20 caractérisé par un capteur de température (330) associé à la surface émissive. 10 ) Appareil de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que 25 la pression à l'intérieur de l'enveloppe fermée, au repos, est extrêmement faible.