Brevet FR2917800A1 — publié le 20081226

Vanne trois voies et système de chauffage d'eau chaude sanitaire muni d'une telle vanne trois voies L'invention concerne une vanne trois voies. Plus précisément l'invention concerne un dispositif d'obstruction apte à interdire, de manière réversible et alternativement, le passage de fluide par l'une ou l'autre des deux voies principales d'une vanne trois voies. L'invention concerne également un système de chauffage d'eau chaude sanitaire dans lequel une vanne trois voies selon l'invention est utilisée de façon particulièrement avantageuse. On connaît de nombreux types de vannes trois voies destinées à réguler ou repartir un ou plusieurs fluides transitant par une telle vanne. Le plus souvent, le dispositif d'obstruction intégré dans la vanne doit être actionné mécaniquement depuis l'extérieur de la vanne, soit par un utilisateur, soit par le biais de capteurs commandant ledit dispositif d'obstruction. Dans l'invention, on cherche à fournir une vanne trois voies dont au moins une voie peut être obturée de manière indépendante et automatique, c'est-à-dire sans manipulation ou commande spécifique externe visant directement à l'obturation de cette voie. Pour cela, la vanne trois voies selon l'invention comporte un cylindre muni à chacune de ses extrémités d'une ouverture d'extrémité, une troisième ouverture étant ménagée sur la paroi latérale du cylindre. L'obturateur selon l'invention coulisse librement dans le cylindre de manière à se déplacer parallèlement à l'axe du flux d'écoulement d'un fluide transitant par le cylindre. Par librement, on entend qu'il n'est relié à aucun dispositif d'actionnement ou de rappel, comme un ressort par exemple. C'est la pression du fluide pénétrant dans le cylindre par une des deux ouvertures d'extrémité qui repousse l'obturateur en direction de l'ouverture d'extrémité opposée, de manière à l'obstruer. L'utilisation d'une telle vanne trois voies est particulièrement intéressante lorsqu'on souhaite modifier le système de chauffage d'eau chaude sanitaire, en remplaçant ou en ajoutant un dispositif d'échange thermique, destiné à chauffer l'eau d'un ballon d'eau chaude, de manière rapide et simple, sans pour autant devoir modifier de manière conséquente l'installation déjà existante. L'invention a donc pour objet une vanne trois voies comportant - un tube principal, - une ouverture primaire, ménagée au niveau d'une première extrémité du tube principal, - une ouverture secondaire, ménagée au niveau d'une seconde extrémité du tube principal, opposée à la première extrémité, - une ouverture latérale, ménagée sur une paroi latérale du tube principal, - un dispositif d'obstruction, destiné à obstruer réversiblement au moins une ouverture de la vanne, caractérisée en ce que le dispositif d'obstruction est monté libre en translation dans le tube principal de manière à avoir une position primaire dans laquelle il obstrue l'ouverture primaire et une position secondaire dans laquelle il obstrue l'ouverture secondaire, le dispositif d'obstruction étant apte à passer de la position primaire à la position secondaire sous l'effet de la pression d'entrée d'un fluide dans la vanne par l'ouverture primaire. Dans un exemple de réalisation particulier de la vanne trois voies selon l'invention, il est possible de prévoir de positionner le tube principal sensiblement verticalement par rapport à la surface du sol, le dispositif d'obstruction étant apte à revenir en position primaire sous l'effet de la gravité lorsque aucun fluide ne pénètre par l'ouverture primaire. Par sensiblement verticalement, on entend que le tube est positionné par rapport au plan du sol de telle manière que le dispositif d'obstruction puisse retomber, ou coulisser, du fait de la gravité en direction de l'ouverture primaire, formant dans ce cas particulier une ouverture basse. Préférentiellement l'axe longitudinal du tube principal forme un angle d'environ 90 avec la surface du sol. Cet angle peut être beaucoup moins important, et le tube principal être plus incliné vers le sol, selon les matériaux utilisés pour le tube et le dispositif d'obstruction, les frottements occasionnés par le déplacement du dispositif d'obstruction, la masse dudit dispositif d'obstruction etc. Ainsi, le poids du dispositif d'obstruction lui permet de retomber au niveau de l'ouverture basse du tube principal, afin de l'obstruer. Le fluide peut alors pénétrer indifféremment, selon les besoins, soit par l'ouverture latérale soit par l'ouverture secondaire, et ressortir en conséquence par l'une ou l'autre de ces deux voies. Autrement, il est possible d'associer systématiquement le déplacement du dispositif d'obstruction à une entrée de fluide sous pression par l'une ou l'autre des ouvertures primaire ou secondaire. Dans ce cas, le fluide est guidé depuis une ouverture primaire ou secondaire en direction de l'ouverture latérale, la pression du fluide entrant repoussant alternativement le dispositif d'obstruction en direction de l'ouverture primaire ou secondaire. L'invention a également pour objet un système de chauffage d'eau chaude sanitaire comportant un ballon d'eau chaude et un module hydraulique apte à chauffer de l'eau destinée à alimenter le ballon d'eau chaude, caractérisé en ce que le module hydraulique est muni d'une vanne trois voies selon l'invention, l'ouverture primaire étant connectée à une arrivée d'eau froide et l'ouverture secondaire débouchant dans un circuit d'échange thermique du module hydraulique. Comme cela sera expliqué plus en détails par la suite, un tel système de chauffage peut de manière particulièrement avantageuse être un système de chauffage à recirculation d'eau, de sorte qu'un flux de fluide transite en continue par la vanne trois voies. Par recirculation d'eau, on entend qu'un flux d'eau circule en permanence entre le ballon d'eau chaude et le module hydraulique. Selon des exemples de réalisations du système de chauffage selon l'invention, il est possible de prévoir tout ou parties des caractéristiques supplémentaires suivantes : - l'ouverture latérale est connectée à un conduit d'eau froide, destiné à amener de l'eau froide depuis le module hydraulique vers le ballon d'eau chaude lorsque le dispositif d'obstruction est en position secondaire, et à amener de l'eau froide depuis le ballon d'eau chaude vers le module hydraulique lorsque le dispositif d'obstruction est en position primaire, de manière à injecter cette eau froide dans l'échangeur thermique afin de la chauffer ; - le module hydraulique est externe au ballon d'eau chaude ; il peut par exemple être disposé à côté dudit ballon ou être accroché à celui-ci. Bien entendu, il est possible de prévoir d'incorporer le module hydraulique à l'intérieur du ballon d'eau chaude, bien que ce mode de réalisation nécessite d'intervenir sur ledit ballon en modifiant son intégrité. - le système de chauffage d'eau chaude sanitaire comporte une pompe à chaleur géothermique. Bien entendu, tout autre type de pompe à chaleur peut être utilisé. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre informatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures représentent : - Figure 1A et 1B : Deux représentations en coupe longitudinale d'une vanne trois voies selon l'invention ; - Figure 2 : Une représentation schématique d'un système de chauffage d'eau chaude sanitaire selon l'état de la technique ; - Figure 3A et 3B : Deux représentations schématiques d'un système de chauffage d'eau chaude sanitaire selon l'invention, respectivement en position chauffage d'eau chaude et en position tirage d'eau chaude. Sur les figures 1A et 1B est représentée une vanne trois voies 1 selon l'invention dans laquelle le dispositif d'obstruction 9 obstrue une ouverture primaire (figure 1 A) et une ouverture secondaire (1 B). La vanne trois voies 1 selon l'invention comporte un tube 2, par exemple circulaire cylindrique, ouvert à ses deux extrémités 3, 4 de manière à ménager une ouverture primaire 3 et une ouverture secondaire 4. Le tube 2 est également muni d'une troisième ouverture 5, ou ouverture latérale, ménagée sur la paroi latérale 6 du tube 2. La position de l'ouverture latérale 5 sur le tube 2 peut être fonction de l'utilisation de la vanne 1. Notamment, l'ouverture latérale 5 peut être à équidistance des ouvertures d'extrémités 3, 4, ou plus proche de l'une des deux ouvertures d'extrémités 3, 4. Un obturateur 9 est logé dans le volume interne du tube 2. Les dimensions de l'obturateur 9 sont telles, qu'il peut coulisser à l'intérieur du tube 2 sans frottement excessif contre la paroi interne 8 dudit tube 2, qui pourraient limiter ou bloquer sa course. Par ailleurs le diamètre de l'obturateur 9 est au moins égal au diamètre des ouvertures primaire 3 et secondaire 4 de manière à pouvoir bloquer le passage d'un fluide à travers l'ouverture 3, 4 contre laquelle il est appliqué. Afin de garantir l'étanchéité de l'obstruction lorsque l'obturateur 9 est appliqué contre une ouverture 3, 4, il est possible de munir ledit obturateur 9 de deux joints d'étanchéité destinés chacun à être appliqués contre l'ouverture primaire ou secondaire selon la position de l'obturateur 9. Il est également possible, comme cela est représenté sur les figures 1A et 1 B, de disposer les joints d'étanchéité contre la paroi interne 8 dudit tube 2, à distance respectivement de l'ouverture principale 3 et de l'ouverture secondaire 4, de manière à ce que l'obturateur 9 vienne en fin de course en appui contre l'un ou l'autre desdits joints d'étanchéité 7. Dans la position représentée à la figure 1A, l'obturateur 9 est en position repos, c'est-à-dire en position basse dans le tube 2 de manière à obstruer l'ouverture basse 3. Dans la mesure où le tube 2 est disposé verticalement par rapport au sol S, l'obturateur 9 est maintenu en position basse 3 par sa masse. Par vertical, on entend que l'axe longitudinal A du tube principal 2 de la vanne 3 s'étend perpendiculairement au plan du sol S. Autrement, le tube principal 2 peut être incliné par rapport à la surface du sol S, de manière par exemple à ce que l'axe longitudinal A forme un angle avec la surface du sol compris entre 90 et 45 . Le tube 2 est alors considéré comme étant dans une position sensiblement verticale par rapport au sol S. Un flux de fluide F peut pénétrer dans la vanne 1 par l'ouverture latérale 5 pour ressortir par l'ouverture haute 4, ou pénétrer par l'ouverture haute 4 pour ressortir par l'ouverture latérale 5. Dans ce dernier cas, la pression du flux d'entrée pénétrant par l'ouverture haute 4 favorise le maintien de l'obturateur 9 en position basse, ou repos. Dans le cas où l'on souhaite faire circuler un fluide depuis l'ouverture supérieure 4 en direction de l'ouverture latérale 5, il n'est pas nécessaire de maintenir le tube principal 2 verticalement par rapport au sol dans la mesure où comme cela a déjà était expliqué, la pression d'entrée du fluide maintien l'obturateur 9 contre l'ouverture basse 3. Sur la figure 1B l'obturateur 9 a été repoussé en direction de l'ouverture haute 4 qu'il obstrue. Le déplacement de l'obturateur 9 est obtenu par introduction d'un fluide F dans le tube principal 2 par l'ouverture basse 3. Le fluide F sort de la vanne 1 par l'ouverture latérale 5. Ainsi, le simple fait de faire pénétrer le fluide F par l'ouverture basse 3 permet d'obstruer de manière immédiate et automatique l'ouverture haute 4, et ce sans intervention spécifique externe, ni mécanisme spécifique. C'est le fonctionnement même de la vanne trois voies qui permet d'obstruer selon les besoins l'une ou l'autre des deux ouvertures primaire 3 et secondaire 4. L'obturateur 9 peut, comme cela est représenté aux figures 1A et ne B être un piston, dont un plateau a un diamètre au moins égal au diamètre des ouvertures 3, 4. Il est également possible de prévoir un obturateur 9 en forme de bille de diamètre au moins égal au diamètre des ouvertures 3, 4. L'obturateur 9 peut être réalisé par exemple en acier, en matériau plastique ou tout autre matériau intéressant, préférentiellement insensible à la corrosion. La vanne trois voies selon l'invention peut avantageusement être utilisée dans un système de chauffage d'eau chaude sanitaire par exemple à géothermie. En effet, actuellement, comme cela est représenté sur la figure 2 de l'état de la technique, l'installation d'un module hydraulique permettant d'adapter un ballon d'eau chaude au chauffage par géothermie, ou autre, nécessite d'intervenir sur l'installation déjà existante, et notamment de modifier dans sa structure interne le ballon d'eau chaude, ce qui augmente fortement le coût d'installation. Les exemples qui vont être décrit en référence aux figures 2, 3A et 3B concernent un système de chauffage d'eau chaude sanitaire par géothermie. Bien entendu, la vanne trois voies selon l'invention pourrait être utilisée de la manière similaire dans tout autre système de chauffage. Le système de chauffage selon l'état de la technique (figure 2) comporte un ballon d'eau chaude 100 destiné à contenir dans son volume interne 101 une eau maintenue à une température environ égal à 60 . Le ballon d'eau chaude est muni d'une sortie d'eau chaude 102 par laquelle l'eau chaude à 60 est amenée en direction des installations sanitaires de l'habitation. Le ballon d'eau chaude 100 est également muni d'une entrée d'eau froide 103 par laquelle il est alimenté en eau froide. Un dispositif de chauffage partiellement externe permet de maintenir constante la température de l'eau contenue dans le ballon d'eau chaude 100. Le dispositif de chauffage comporte un module hydraulique 104 disposé à côté ou sur le ballon d'eau chaude 100 et un échangeur thermique 107 logé dans le volume interne 101 du ballon 100. Le module hydraulique 104 a par exemple une forme générale circulaire cylindrique. Un condenseur 105 et un circulateur 106 s'étendent dans ledit module 104 de manière à pomper un fluide frigorifique circulant dans l'échangeur thermique 107. Plus précisément, une sortie de fluide chaud 108 du module hydraulique 104 est reliée par un conduit 109 à une arrivée de fluide chaud 110 dans l'échangeur 107 tandis qu'une sortie de fluide froid 111 de l'échangeur 107 est reliée par un conduit 113 à une entrée de fluide froid 112 du module hydraulique 104. Le fluide circulant dans le condenseur 105 est chauffé de manière classique par une pompe à chaleur géothermique ou autre. Le fluide frigorifique circule en circuit fermé depuis le condenseur 105, dans lequel il est chauffé, jusqu'à l'échangeur 107 logé dans le volume interne 101 du ballon 100, où il chauffe l'eau, et retourne une fois refroidi dans le condenseur 105. Il est nécessaire d'intégrer l'échangeur thermique 107 dans le ballon 100 déjà existant, ou de remplacer le ballon 100. Dans tous les cas, le coût d'une telle installation est fortement augmenté par l'intervention sur ledit ballon 100. A l'inverse, le dispositif de chauffage selon l'invention peut être adapté sur une installation déjà existante, sans avoir à intervenir sur le ballon d'eau chaude. Le dispositif de chauffage selon l'invention est entièrement externe au ballon d'eau chaude 10. Il pourrait autrement être entièrement interne, mais cela est moins avantageux. Ainsi, le système de chauffage selon l'invention comporte un ballon d'eau chaude 10 et un module hydraulique 11 qui peut être disposé sur ou à proximité du ballon 10. Le module hydraulique 11 comporte un circuit frigorifique (non représenté), un circuit d'échange thermique 12, ou condenseur, un circulateur 13, ou pompe de circulation, et une vanne trois voies 1 selon l'invention. Dans l'exemple décrit, le système de chauffage est alimenté par une pompe à chaleur géothermique, mais le module hydraulique pourrait tout aussi bien fonctionné à l'électricité, au gaz, à l'énergie solaire ou autre. Contrairement au module hydraulique de l'état de la technique le module hydraulique 11 selon l'invention réchauffe directement l'eau chaude destinée à alimenter le ballon 10. Par directement, on entend que l'eau chaude du ballon d'eau chaude 10 est amenée dans le module hydraulique 11 de manière à y être réchauffée pour atteindre la température souhaitée. Sur la figure 3A, le système de chauffage est en mode réchauffage, c'est-à-dire qu'il n'y a aucun prélèvement d'eau chaude vers l'extérieur du système. De l'eau à une température X est prélevée dans le ballon 10 pour être amenée par l'intermédiaire d'un conduit d'eau froide 14 dans le module hydraulique 11. Le conduit d'eau froide 14 débouche dans l'ouverture latérale 5. La vanne trois voies 1 est disposée de manière à ce que le tube principal 2 soit sensiblement vertical. Ainsi, un obturateur 9, ici représenté par une bille, obture une ouverture basse 3, de sorte que l'eau à température X ressort de la vanne 1 par l'ouverture haute 4 connectée au circulateur 13. Le circulateur 13 injecte l'eau à température X dans le circuit d'échange thermique 12, de manière à la chauffer. Une sortie 15 du circuit d'échange thermique 12 est connectée à un conduit d'eau chaude 16 amenant l'eau réchauffée à une température X+n en direction du ballon d'eau chaude 10 dans lequel elle est déversée. En mode réchauffage d'eau chaude, le système de chauffage selon l'invention fonctionne en circuit fermé, l'eau alimentant l'échangeur thermique étant directement l'eau du ballon 10. Il est possible de faire fonctionner le système de chauffage par recirculation d'eau, de manière à ce que l'eau contenue dans le ballon 10 circule en continu dans l'échangeur thermique 12 du module hydraulique 11. Il est également possible de faire circuler de manière périodique l'eau du ballon 10 dans l'échangeur thermique 12, en fixant une période en fonction par exemple de la température extérieure, du mode de consommation des utilisateurs etc. Sur la figure 3B, on peut voir le système de chauffage selon l'invention en mode prélèvement d'eau chaude du ballon 10 vers l'extérieur. Parallèlement à la sortie d'eau chaude vers l'extérieur du système de chauffage, ledit système est alimenté en eau froide provenant de l'extérieur. Une arrivée d'eau froide 17 externe au système de chauffage est actionnée, préférentiellement et de manière connue de façon automatique, de manière à injecter un flux d'eau froide dans un conduit d'eau froide 18 débouchant dans la vanne hydraulique 1 par l'extrémité basse 3. Cette arrivée d'eau froide sous pression propulse l'obturateur 9 vers le haut, et est appliquée contre l'ouverture supérieure 4 qui est ainsi obstruée. Préférentiellement, le débit d'eau froide dans le module hydraulique 11 correspond au débit d'eau chaude vers l'extérieur, de sorte que le volume d'eau contenu dans le ballon 10 reste sensiblement constant. L'obturation de l'ouverture supérieure 4 court-circuite automatiquement le circuit d'échange thermique. L'eau froide pénétrant dans le module hydraulique 11 ressort par l'ouverture latérale 5. L'eau froide est alors acheminée par le conduit d'eau froide 14 dans le ballon d'eau chaude, sans avoir transitée par l'échangeur thermique 12. L'eau froide est mélangée au volume d'eau chaude déjà contenu dans le ballon 10. Par la suite, lorsqu'on cesse de prélever de l'eau chaude du ballon d'eau chaude 10, l'arrivée d'eau froide 17 est fermée, préférentiellement de manière automatique et simultanée. Dans la mesure où l'arrivée de fluide sous pression par l'ouverture basse 3 cesse, l'obturateur 9 retombe contre l'ouverture basse 3 qu'il obstrue. Dans le cas où le circulateur 13 continu de fonctionner, l'obturateur 9 doit avoir une masse suffisante pour résister à la dépression et ne pas rester collé contre l'ouverture haute 4. Le conduit d'eau froide 14 amène alors l'eau contenue dans le ballon 10, sensiblement refroidie par l'apport en eau froide précédent, en direction de l'échangeur thermique 12 où elle est réchauffée. Ce mode de fonctionnement est particulièrement avantageux dans le cas où le système de chauffage est un système de chauffage par géothermie dans la mesure où la puissance du chauffage par géothermie n'est pas suffisante pour faire passer directement de l'eau à environ 15 à une température d'environ 60 . L'eau à chauffer a été préalablement tiédie par son passage dans le ballon d'eau chaude 10. L'installation selon l'invention n'est donc pas invasive dans le ballon d'eau chaude 10. Il est aisé d'adapter le système de chauffage préexistant. Le ballon d'eau chaude 10 garde son intégrité. En effet, le conduit d'eau froide 14 débouchant dans le ballon d'eau chaude 10 est modifié en amont dudit ballon 10, de manière à le connecter à l'ouverture latérale 5 de la vanne 1. Un même conduit d'eau froide 14 permet d'amener de l'eau froide depuis l'extérieur vers le module hydraulique et depuis le module hydraulique 11 vers le ballon d'eau chaude 10. De même, le conduit d'amenée d'eau chaude 16 qui amène l'eau chaude du module hydraulique 11 au ballon 10, est directement connecté au conduit d'eau chaude 19 préexistant sur le ballon d'eau chaude, qui permet initialement la sortie d'eau chaude vers l'extérieur. Le conduit d'eau chaude 19 préexistant est connecté à une sortie d'eau chaude et au conduit d'amenée d'eau chaude 16 provenant du module 11. Toutes les interventions de raccordement du module hydraulique 11 selon l'invention au ballon d'eau chaude 10 peuvent donc être externe audit ballon 10, ce qui facilite l'installation comme la désinstallation du système de chauffage selon l'invention. Les conduits d'eau froide et d'eau chaude du ballon d'eau chaude 10 gardent leur intégrité, les conduits étant modifiés uniquement au niveau du module hydraulique 11. Par ailleurs, en mode prélèvement d'eau chaude, en faisant transiter l'eau froide par le module hydraulique, on simplifie encore l'installation. En effet, cette connexion rend complètement indépendant le module hydraulique 11 des conduits et installations existants ou futurs qui peuvent être connectés au ballon d'eau chaude. L'eau froide tirée depuis l'entrée d'eau 17 en direction du module hydraulique 11 est de manière certaine de l'eau externe au système de chauffage. Il n'y a ainsi aucun risque que l'eau prélevée pour alimenter en eau froide le ballon d'eau chaude soit une eau détournée de manière préjudiciable d'un autre circuit. REVENDICATIONS 1- Vanne trois voies (1) comportant - un tube principal (2), - une ouverture primaire (3), ménagée au niveau d'une première extrémité du tube principal, - une ouverture secondaire (4), ménagée au niveau d'une seconde extrémité du tube principal opposée à la première extrémité, - une ouverture latérale (5), ménagée sur une paroi latérale (6) du tube principal, - un dispositif d'obstruction (9), destiné à obstruer réversiblement au moins une ouverture de la vanne, caractérisée en ce que le dispositif d'obstruction est monté libre en translation dans le tube principal de manière à avoir une position primaire dans laquelle il obstrue l'ouverture primaire et une position secondaire dans laquelle il obstrue l'ouverture secondaire, le dispositif d'obstruction étant apte à passer de la position primaire à la position secondaire sous l'effet de la pression d'entrée d'un fluide (F) dans la vanne par l'ouverture primaire. 2- Vanne trois voies selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube principal est positionné sensiblement verticalement, le dispositif d'obstruction étant apte à revenir en position primaire sous l'effet de la gravité. 3- Système de chauffage d'eau chaude sanitaire comportant un ballon d'eau chaude (10) et un module hydraulique (11) apte à chauffer de l'eau destinée à alimenter le ballon d'eau chaude, caractérisé en ce que le module hydraulique est muni d'une vanne trois voies selon l'une des revendications 1 à 2, l'ouverture primaire étant connectée à une arrivée d'eau froide (17), l'ouverture secondaire débouchant dans un circuit d'échange thermique (12) du module hydraulique. 4- Système de chauffage selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ouverture latérale est connectée à un conduit d'eau froide (14), destiné à amener de l'eau froide depuis le module hydraulique vers le ballon d'eau chaude lorsque le dispositif d'obstruction est en position secondaire, et àamener de l'eau froide depuis le ballon d'eau chaude vers le module hydraulique lorsque le dispositif d'obstruction est en position primaire. 5- Système de chauffage selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que le module hydraulique est externe au ballon d'eau chaude. 6- Système de chauffage selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il est à recirculation d'eau. 7- Système de chauffage selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe à chaleur géothermique.10