Brevet FR2929380A1 — publié le 20091002

L'invention concerne un dispositif de production rapide d'eau chaude ou de vapeur comportant des moyens d'entraînement en rotation, autour d'un axe de rotation, d'un rotor, ce dernier équipé de pôles constitués d'aimants permanents de révolution autour dudit axe de rotation, et coaxial et à distance d'entrefer par rapport à l'alésage d'une chemise, laquelle comporte au moins une chambre conçue apte à contenir de l'eau ou de la vapeur et reliée à des moyens de circulation d'eau ou de vapeur conçus aptes à alimenter un circuit d'utilisation. L'invention concerne le domaine de la production d'eau chaude ou de vapeur, pour des utilisations domestiques ou industrielles, en particulier dans le chauffage des locaux. Dans de nombreux cas, il est nécessaire de disposer rapidement d'eau chaude à une température supérieure de plusieurs dizaines de degrés Celsius, ou de vapeur. Les installations classiques de chaudières sont couplées à des moyens de stockage d'eau chaude ou de vapeur, entretenus en température en permanence, même s'il n'y a pas d'utilisation. Une quantité importante d'énergie est alors consommée sans profit pour l'utilisateur. On recherche, dans les applications domotiques, à économiser l'énergie au niveau des locaux d'habitation, et à ne consommer l'énergie que quand on en a réellement besoin. Des moyens de génération rapide sont connus pour des petits volumes, par exemple sous la forme de chauffe-eau à induction. Toutefois ces systèmes ne sont pas bien adaptés à un gradient important de température pour un volume de plusieurs dizaines de litres ou davantage. On connaît le principe de l'utilisation des courants de Foucault pour échauffer rapidement un liquide. Ce principe est basé sur la création d'échauffement d'un cylindre métallique parcouru par des champs magnétiques en mouvement. Ces champs magnétiques sont produits par la rotation d'un organe pourvu d'aimants permanents à l'intérieur ou à l'extérieur de ce cylindre métallique. L'échange de calories se fait par circulation d'un liquide caloporteur, notamment de l'eau ou de l'huile, selon les utilisations, en contact avec la partie métallique échauffée. On connaît ainsi un document FR 2514966, qui décrit un convertisseur comprenant un rotor magnétique entraîné par un arbre en rotation, et un échangeur de chaleur à parois électroconductrices dans lequel circule un fluide. On connaît encore le document WO 9746051, qui concerne une chaudière comprenant une chambre de chauffage pourvue d'un tube d'entrée, d'un tube de sortie, et au moins une surface transmettant la chaleur au fluide à chauffer. Cette surface est formée par un tambour métallique chauffé par des courants de Foucault induits par un cylindre rotatif monté dans le tambour et recouvert extérieurement d'une pluralité d'aimants permanents. Toutefois les systèmes connus ne sont pas optimisés pour l'obtention d'un gradient rapide d'élévation de température. Ils sont surdimensionnés, ce qui amène une surconsommation inutile d'énergie, et crée des problèmes de couple résistant excessif. La nécessité d'offrir, pour des applications domestiques, des équipements de coefficient de performance, dit COP, élevé, et de coût inférieur à d'autres solutions peu gourmandes en énergie telles que les pompes à chaleur ou encore els chaudières à condensation, impose une mise au point précise quant aux dimensionnements des constituants, à leur domaine d'utilisation. Il est, encore, nécessaire de pouvoir proposer, en particulier pour les applications domestiques, un équipement standardisé avec un modèle unique de moyens d'entraînement, qu'on puisse adapter au dimensionnement de l'installation avec un nombre réduit de réglages. L'invention a pour but de pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant un dispositif optimisé comportant des moyens d'entraînement du dimensionnement le plus faible possible, capable d'élever en moins de dix minutes la température d'un volume d'eau de 80 litres de 40 degrés Celsius. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de production rapide d'eau chaude ou de vapeur comportant des moyens d'entraînement en rotation, autour d'un axe de rotation, d'un rotor, ce dernier équipé de pôles constitués d'aimants permanents de révolution autour dudit axe de rotation, et coaxial et à distance d'entrefer par rapport à l'alésage d'une chemise, laquelle comporte au moins une chambre conçue apte à contenir de l'eau ou de la vapeur et reliée à des moyens de circulation d'eau ou de vapeur conçus aptes à alimenter un circuit d'utilisation, caractérisé par le fait que ledit alésage appartient à une première paroi interne d'épaisseur constante de ladite chemise, laquelle est en alliage léger. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 représente, de façon schématisée et en coupe longitudinale, un dispositif selon l'invention; - la figure 2 représente, de façon schématisée et en coupe 20 transversale, un rotor équipant ce dispositif ; - la figure 3 représente, de façon schématisée, un dispositif selon l'invention ; - la figure 4 est une courbe de température en fonction du temps dans un dispositif selon l'invention ; 25 - la figure 5 est une courbe de coefficient de performance en fonction du régime de rotation du rotor d'un dispositif selon l'invention. L'invention concerne le domaine de la production d'eau chaude ou de vapeur, pour des utilisations domestiques ou 30 industrielles, en particulier dans le chauffage des locaux. L'invention met en œuvre un moyen innovant de production économique et très rapide d'eau chaude ou de vapeur. Un premier mode de réalisation de l'invention est illustré sur les figures. 35 La variation d'un champ magnétique dans un tube métallique génère de forts dégagements de chaleur. Le champ magnétique est généré par des aimants permanents, tournant dans une chemise métallique. Il est possible de faire tourner le tube métallique sur les aimants permanents fixes. Les échauffements ainsi obtenus sont très importants. Si un fluide caloporteur est en contact avec le tube métallique, alors les calories produites peuvent être transportées et alimenter un dispositif de chauffage ou une réserve d'eau sanitaire. L'invention consiste à mettre en œuvre un champ magnétique généré par des aimant permanents en mouvement. Ce mouvement peut être obtenu par l'utilisation des énergies renouvelables telles que l'éolien, ou la force hydro motrice, ou similaire. L'avantage de l'utilisation de l'énergie éolienne est la 15 capacité de générer des calories le jour, mais aussi la nuit et par mauvais temps. Une source d'énergie traditionnelle telle que l'électricité pour l'entraînement d'un petit moteur électrique peut être également utilisée. 20 I1 est possible d'associer les deux énergies, renouvelable et électrique, ce qui donne au système selon l'invention souplesse, fiabilité et autonomie. De façon préférée, l'énergie nécessaire à la rotation de l'organe aimanté peut être d'origine électrique ou d'origine 25 naturelle, grâce à une source d'énergie renouvelable, telle que l'énergie d'origine éolienne. Le dispositif 1 de production d'eau chaude ou de vapeur selon l'invention comporte des moyens d'entraînement 2 en rotation, autour d'un axe de rotation 3, d'un rotor 4. Ce 30 dernier est équipé de pôles 5A, 5B, alternés Nord/Sud, constitués d'aimants permanents 6. Le rotor 4 est de révolution autour de l'axe de rotation 3, et est coaxial et à distance d'entrefer E par rapport à l'alésage 7 d'une chemise 8, laquelle comporte au moins une chambre 9 conçue apte à contenir 35 de l'eau ou de la vapeur, et est reliée à des moyens de circulation 10 d'eau ou de vapeur conçus aptes à alimenter un circuit d'utilisation. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention utilisant les énergies renouvelables, tel que visible sur la figure 3, le dispositif complet comporte une éolienne 20, des moyens de transformation ou de transmission d'énergie 20 reliés à un variateur de vitesse 22, soit par voie électrique 23 si les moyens 20 consistent en une génératrice électrique, soit par voie mécanique 24 si les moyens 20 transmettent le mouvement de rotation de l'éolienne 20. Dans la version préférée de transfert électrique de l'énergie, le variateur 22 entraîne un moteur électrique 25 par voie électrique 26. Le moteur électrique 25 entraîne le rotor 4. Le variateur 22 peut en particulier être un multiplicateur de vitesse, notamment dans le cas de l'utilisation de l'énergie mécanique de l'éolienne 20. Les courants de Foucault chauffent l'eau contenue dan la chambre 9 de la chemise 8, les moyens de circulation 10 la conduisent au réseau d'utilisation, comportant classiquement des instruments 28 de mesure de grandeurs physiques, notamment température et pression, un accélérateur 29 facultatif, un réservoir 30 et un vase d'expansion 31, ce dernier de préférence taré à 1,5 bar maximum, le circuit étant un circuit fermé bouclé sur la chambre 9. Il est envisageable d'entraîner directement le rotor 4 par voie mécanique 24, 27, depuis une source mécanique, telle que l'éolienne 20, mais l'infrastructure est plus coûteuse et consomme davantage d'espace que la solution purement électrique. L'invention peut tout aussi bien être mise en oeuvre par alimentation du variateur électrique 22 et donc du moteur électrique 25 depuis le réseau, cette solution est utilisable dans tout type de bâtiment sans nécessiter aucune infrastructure particulière, et, consommant peu d'énergie tout en fournissant un gradient extrêmement rapide de température, cette solution est vouée à une large diffusion. Dans une utilisation domestique traditionnelle, il faut 3h00 à un chauffe-eau de 2000W pour élever 1201 d'eau à la température de 65°C, depuis la température ambiante. En utilisant un entraînement motorisé selon l'invention on 5 estime diviser au moins par deux le temps de chauffe et la consommation électrique. L'intérêt majeur de l'invention est de procurer une économie d'énergie conséquente, du fait non seulement des rendements élevés constatés, mais aussi, de la compatibilité 10 facile avec des dispositifs simples d'énergies renouvelables. Le gain de place est un autre avantage important de l'invention, qui permet, avec une installation de volume très compact, d'atteindre les résultats souhaités. A ce dimensionnement réduit s'associe tout naturellement une 15 économie sur le coût des matériels utilisés. L'invention permet d'envisager une grande diversité d'applications, partout où il est nécessaire de disposer à bref délai d'eau chaude, voire de vapeur. On retiendra, de façon non limitative, le sanitaire, le chauffage de l'habitat, les 20 piscines, ainsi que des applications industrielles, pour le chauffage de locaux ou pour la mise en oeuvre de procédés de fabrication. De façon préférée, l'alésage 7 de la chemise 8 appartient à une première paroi interne d'épaisseur constante de la 25 chemise 8. De façon préférée, pour pallier les problèmes de couple résistant important, qui sont un frein à l'utilisation des technologies à courants de Foucault en chauffage domestique ou industriel, car ils contraignent à un surdimensionnement des 30 moteurs, l'invention met en oeuvre, de façon innovante, une chemise 8 réalisée dans un alliage léger, tel qu'alliage d'aluminium ou de cuivre. De façon préférée, la chemise 8 comporte une seconde paroi externe coaxiale et à distance constante de la première paroi 35 interne. Des essais comparatifs ont été effectués pour déterminer sous quelles conditions la mise en oeuvre de l'invention permet d'obtenir le meilleur COP, c'est-à-dire le meilleur coefficient de performance, selon la définition adoptée par les chauffagistes. Les essais comparatifs sur le nombre de pôles du rotor ont montré un fonctionnement optimal avec un nombre de pôles bas, dans les conditions recherchées qui sont celles d'une installation de chauffage d'une puissance de quelques kW, et en particulier avec un rotor 4 comportant six pôles. A titre de comparaison, la consommation, dans des conditions particulières identiques, d'un rotor en 8 pôles est de 1180W, alors quelle n'est que de 600W en 6 pôles. Il est recherché en permanence le dimensionnement le plus faible possible du moteur 25, de façon à réduire son coût, mais aussi sa consommation à vide, dans l'hypothèse, non déraisonnable, d'un entraînement permanent de ce moteur. La courbe de la figure 5 montre que, toutes choses égales par ailleurs, le COP obéit à une loi d'allure gaussienne, en 20 cloche, avec un maximum à une température donnée. Le figure 4 montre des essais pratiqués avec un rotor à six pôles de diamètre 66 mm, une longueur de recouvrement entre rotor et chemise de 146 mm en regard de la chemise 8, un entrefer E de 1,5 mm. 25 La courbe 41 est réalisée avec une chemise 8 d'épaisseur de paroi interne de 8mm, et à un régime de rotation du rotor de 5000 trs/mn. La consommation du moteur est de 3,2A, la puissance consommée est de 1774W, pour l'ensemble du moteur et de l'installation. Le COP calculé est de 4,0. 30 La courbe 42 correspond au même rotor, mais à un régime de rotation de 4500 trs/mn. La consommation du moteur est de 2,45A, la puissance consommée est de 1347W, pour l'ensemble du moteur et de l'installation. La COP calculé est de 4,5. On a donc un meilleur rendement énergétique, même si le 35 gradient de température, tel que visible sur la courbe, est légèrement inférieur à celui de la courbe 41, tout en restant excellent, puisque, dans l'exemple de la figure 4, pour un circuit de 80 litres environ, on obtient un gradient de température de 40°C en environ 12 minutes. La courbe 43 correspond au même rotor, mais à un régime de rotation de 4500 trs/mn, et avec une chemise 8 d'épaisseur de paroi interne de 4mm. La consommation du moteur est de 2,15A, la puissance consommée est de 1200W, pour l'ensemble du moteur et de l'installation. La COP calculé est de 4,0. Le meilleur compromis, dans cet exemple, est celui de la courbe 42, avec une vitesse de rotation optimisée à 4500 trs/mn, une épaisseur de chemise forte, supérieure à 5 fois la valeur de l'entrefer E. De façon préférée, l'épaisseur de lapremière paroi interne est comprise entre 1 et 6 fois la valeur de l'entrefer E. On peut comparer ces COP de 4,0 à 4,5 aux valeurs de COP de 2 à 6 que permettent d'obtenir, mais de façon irrégulière et très dépendante des températures externes, des pompes à chaleur. De préférence on entraîne donc les moyens d'entraînement 20 de façon apte aptes à entraîner le rotor 4 à une vitesse comprise entre 4000 et 4500 tours par minute. L'agencement des pôles 5 sur le rotor 4 est également important. De façon avantageuse, ces pôles 5 s'étendent chacun radialement sur une épaisseur comprise entre 1 et 3 fois la 25 valeur de l'entrefer E, et sont séparés les uns des autres par une distance comprise entre 0,5 et 3 fois la valeur de cet entrefer, valeurs qui ont donné les meilleurs résultats lors des expérimentations. Dans le cas préféré de l'utilisation d'une éolienne 20, 30 pour une utilisation domestique, cette éolienne 20 est à axe horizontal et installée entre des ouvertures ménagées en toiture dans deux pignons d'un bâtiment exposés aux vents dominants. Outre l'absence de superstructures souvent considérées comme inesthétiques, cette solution présente 35 l'avantage d'utiliser des volumes morts d'un bâtiment. L'orientation de la toiture face au soleil permet de l'utiliser avec des panneaux solaires ou photovoltaïques pour emmagasiner de l'énergie thermique, les pignons sont alors classiquement soumis aux vents dominants, et ces façades froides trouvent ainsi une utilité dans le rendement énergétique du bâtiment. Pour une utilisation domestique, telle que dimensionnée lors des essais de la figure 4, soit un circuit de 80 litres correspondant à environ 8 radiateurs de chauffage central usuels, l'éolienne a une puissance inférieure ou égale à 2kW et fournit l'énergie de chauffage d'un circuit d'utilisation d'eau de volume inférieur à 100 litres. Dans l'application particulière au chauffage de l'eau d'une piscine, on peut utiliser avec profit le moteur du groupe de filtration, qui fonctionne de façon quasi permanente, comme moyen d'entraînement du dispositif selon l'invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés et décrits précédemment qui peuvent présenter des variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de production rapide d'eau chaude ou de vapeur comportant des moyens d'entraînement en rotation (2), autour d'un axe de rotation (3), d'un rotor (4), ce dernier équipé de pôles (5 ; 5A) constitués d'aimants permanents (6) de révolution autour dudit axe de rotation (3), et coaxial et à distance d'entrefer (E) par rapport à l'alésage (7) d'une chemise (8), laquelle comporte au moins une chambre (9) conçue apte à contenir de l'eau ou de la vapeur et reliée à des moyens de circulation (10) d'eau ou de vapeur conçus aptes à alimenter un circuit d'utilisation, caractérisé par le fait que ledit alésage (7) appartient à une première paroi interne d'épaisseur constante de ladite chemise (8), laquelle est en alliage léger. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que ladite chemise (8) comporte une seconde paroi externe coaxiale et à distance constante de ladite première paroi interne. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit rotor (4) comporte six pôles (5 ; 5A) et que lesdits moyens d'entraînement (2) sont conçus aptes à l'entraîner à une vitesse comprise entre 4000 et 4500 tours par minute. 4. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que lesdits pôles (5 ; 5A) s'étendent radialement sur une épaisseur comprise entre 1 et 3 fois la valeur dudit entrefer (E), et sont séparés les uns des autres par une distance comprise entre 0,5 et 3 fois la valeur dudit entrefer (E). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'entraînement (2) comportent un moteur électrique (25) et des moyens de régulation (22) de sa vitesse de rotation. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'entraînement (2) comportent une éolienne (20) entraînant une génératrice (21) 10alimentant un moteur électrique (25) d'entraînement dudit rotor (4), ou entraînant directement ledit rotor via un multiplicateur de vitesse (22). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite éolienne (20) est à axe horizontal et installée entre des ouvertures ménagées en toiture dans deux pignons d'un bâtiment exposés aux vents dominants. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que ladite éolienne (20) a une puissance inférieure ou égale à 2kW et est apte à fournir l'énergie de chauffage d'un circuit d'utilisation d'eau de volume inférieur à 100 litres. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'épaisseur de ladite première paroi interne est comprise entre 1 et 6 fois la valeur dudit entrefer (E). 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit rotor (4) est cylindrique.