Brevet FR2943766A1 — publié le 20101001

L'invention concerne un groupe de production rapide d'eau chaude ou de vapeur, comportant au moins une cuve ou/et une canalisation contenant ou conçu apte à contenir un fluide caloporteur tel qu'eau ou/et la vapeur. L'invention concerne le domaine de la production de fluide chauffé, en particulier la production d'eau chaude ou de vapeur, pour des utilisations domestiques ou industrielles, en particulier dans le chauffage des locaux. Par eau chaude on entend toute température supérieure à 10 la température ambiante. Dans de nombreux cas, il est nécessaire de disposer rapidement d'eau chaude à une température supérieure à la température ambiante d'une valeur de plusieurs dizaines de degrés Celsius, ou de disposer de vapeur surtout pour les 15 applications industrielles. 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 20 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 25 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 30 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 35 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 groupe de production rapide d'eau chaude ou de vapeur, comportant au moins une cuve ou/et une canalisation contenant ou conçu apte à contenir un fluide caloporteur tel qu'eau ou/et la vapeur, caractérisé en ce qu'il comporte, à l'intérieur de ladite cuve ou/et enroulés autour de ladite canalisation, ou bien des moyens d'échauffement conçus aptes à être échauffés par des courants de Foucault créés par au moins une bobine d'induction, ou bien au moins une bobine d'induction. Selon une caractéristique de l'invention, ladite cuve comporte au moins une bobine d'induction à sa périphérie, encastrée dans une paroi ou à l'extérieur de ladite cuve, bobine face à laquelle est disposée, à l'intérieur de ladite cuve, au moins une plaque constituant tout ou partie desdits moyens d'échauffement. Selon une caractéristique de l'invention, ledit groupe comporte, immergé dans une telle cuve, un dispositif comportant, à l'intérieur d'une chemise étanche, 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 de ladite chemise. 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 section longitudinale, un groupe selon l'invention; -la figure 2 représente, de façon schématisée et en élévation, une variante d'un groupe selon l'invention, dans un circuit de chauffage; - la figure 3 représente, de façon schématisée et en coupe longitudinale, un dispositif selon l'invention, apte à être 35 incorporé dans un groupe tel celui de la figure 1; - la figure 4 représente, de façon schématisée et en coupe transversale, un rotor équipant le dispositif de la figure 3 ; - la figure 5 représente, de façon schématisée, un circuit comportant le dispositif de la figure 3 ; - la figure 6 est une courbe de température en fonction du 5 temps dans un dispositif de la figure 3 ; - la figure 7 est une courbe de coefficient de performance en fonction du régime de rotation du rotor d'un dispositif de la figure 3. L'invention concerne le domaine de la production d'eau 10 chaude ou de vapeur, pour des utilisations domestiques ou industrielles, en particulier dans le chauffage des locaux. L'invention met en oeuvre un moyen innovant de production économique et très rapide d'eau chaude ou de vapeur. Un mode préféré de réalisation de l'invention est illustré 15 sur les figures. L'invention concerne un groupe 100 de production rapide d'eau chaude ou de vapeur. Ce groupe 100 comporte au moins une cuve 42 ou/et une canalisation 43 contenant ou conçue apte à contenir un fluide, notamment de l'eau ou/et de la vapeur, ou 20 tout autre fluide caloporteur, sous forme liquide ou/et gazeuse. Naturellement le groupe 100 peut comporter une pluralité de cuves 42 ou/et de canalisations 43, en série ou/et en parallèles les unes avec les autres. Selon l'invention, le groupe 100 comporte, à l'intérieur 25 d'une telle cuve 42 ou/et enroulés autour d'une telle canalisation 43, ou bien des moyens d'échauffement 40 conçus aptes à être échauffés par des courants de Foucault créés par au moins une bobine d'induction 41 , ou bien directement au moins une bobine d'induction 41 . Cette bobine d'induction 41 30 est préférentiellement alimentée par un circuit d'électronique de puissance. Dans le cas où le groupe 100 comporte une cuve 42, de façon préférée, cette dernière comporte au moins une bobine d'induction 41 à sa périphérie. Cette bobine d'induction 41 35 peut être, selon le cas, encastrée dans une paroi 45 de la cuve 42, ou être disposée, à son voisinage, à l'extérieur de la cuve 42. De façon avantageuse, face à cette bobine 41, on dispose, à l'intérieur de la cuve 42, au moins une plaque 44 constituant tout ou partie de ces moyens d'échauffement 40. Naturellement, la morphologie de la plaque 44 ne doit pas être interprétée de façon restrictive : selon le cas d'espèce, et en particulier selon la forme de la bobine d'induction 41 en regard, et selon la forme de la cuve 42, cette plaque 44 peut prendre différentes géométries, elle peut notamment ne pas être plane, elle peut comporter des ouvertures ou/et des canaux de circulation de fluide, elle peut encore être constituée d'une pluralité d'éléments, joints ou disjoints. Pour une efficacité maximale, la plaque 44 est située à distance de la face interne de la paroi 45 en périphérie de laquelle est disposée la bobine d'induction 41 en regard de la plaque considérée. Dans l'exemple de la figure 1, de réalisation particulièrement économique, la cuve 42 est prismatique, et des plaques 44 sont disposées face à chacune de ses faces intérieures. Dans cet exemple non limitatif les plaques 44 sont planes et rectangulaires ou carrées. Le fluide caloporteur circule entre au moins une entrée 46 et au moins une sortie 47 ménagées au niveau de la paroi 45 de la cuve 42. La figure 2 illustre une variante, dans laquelle le groupe 100 est intégré à un circuit de chauffage comportant, par exemple des radiateurs 48, ou/et au moins une sortie 49 et au moins un retour 50 vers et d'une installation de plancher chauffant ou similaire. Le groupe 100 comporte des canalisations 43, entourées de bobines d'induction 41. Ces dernières sont de préférence alimentées par un circuit d'électronique de pilotage et de puissance, de 20000 à 40000 Hz. Ce circuit comporte un vase d'expansion 51, et un accélérateur 52. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, et garantissant un gradient de température particulièrement 35 rapide, le groupe 100 comporte, immergé dans une telle cuve 42, un dispositif 1 qui est lui-même conçu apte à générer, seul, un rapide gradient de température de fluide. De façon préférée, ce dispositif 1 comporte, à l'intérieur d'une chemise 8 étanche alésée, 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 de ladite chemise 8. En effet, 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 oeuvre 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 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 30 peut être également utilisée. Il 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 35 l'organe aimanté peut être d'origine électrique ou d'origine 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 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 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 15 température de 65°C, depuis la température ambiante. En utilisant un entraînement motorisé selon l'invention on estime diviser au moins par deux le temps de chauffe et la consommation électrique. L'intérêt majeur de l'invention est de procurer une 20 économie d'énergie conséquente, du fait non seulement des rendements élevés constatés, ma is aussi, de la compatibilité 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 25 compact, d'atteindre les résultats souhaités. A ce dimensionnement réduit s'associe tout naturellement une 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 30 délai d'eau chaude, voire de vapeur. On retiendra, de façon non limitative, le sanitaire, le chauffage de l'habitat, les 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 32 d'épaisseur constante de la 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 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 33 coaxiale et à distance constante de la première paroi interne 32. 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 cloche, avec un maximum à une température donnée. Le figure 4 montre des essais pratiqués avec un rotor à 35 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. La courbe 41 est réalisée avec une chemise 8 d'épaisseur de paroi interne 32 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. 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 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 32 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 32 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 de façon apte aptes à entraîner le rotor 4 à une vitesse 35 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 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, 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 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. Groupe (100) de production rapide d'eau chaude ou de vapeur, comportant au moins une cuve (42) ou une canalisation (43) conçue apte à contenir un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'il comporte, à l'intérieur de ladite cuve (42) ou enroulés autour de ladite canalisation (43), ou bien des moyens d'échauffement (40) conçus aptes à être échauffés par des courants de Foucault créés par au moins une bobine d'induction (41), ou bien au moins une bobine d'induction (41). 2. Groupe (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cuve (42) comporte au moins une bobine d'induction (41) à sa périphérie, encastrée dans une paroi (45) ou à l'extérieur de ladite cuve (42), bobine (41) face à laquelle est disposée, à l'intérieur de ladite cuve (42), au moins une plaque (44) constituant tout ou partie desdits moyens d'échauffement (40). 3. Groupe (100) selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite plaque (44) est située à distance de la face 20 interne de ladite paroi (45). 4. Groupe (100) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte, immergé dans une telle cuve (42), un dispositif (1) comportant, à l'intérieur d'une chemise (8) étanche alésée, des moyens d'entraînement en rotation (2), 25 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) de ladite chemise (8). 30 5. Groupe (100) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite chemise (8) 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 35 ledit alésage (7) appartient à une première paroi interne 32 d'épaisseur constante de ladite chemise (8), laquelle est en 12' 13 alliage interne léger, et que l'épaisseur de ladite première paroi (32) est comprise entre 1 et 6 fois la valeur dudit entrefer (E). revendication 5, caractérisé par (8) comporte une seconde paroi distance constante de ladite 10 (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, et 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 15 par une distance comprise entre 0,5 et 3 fois la valeur dudit entrefer (E). 8. Groupe (100) selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'entraînement (2) comportent une éolienne (20) entraînant une génératrice (21) 20 alimentant un moteur électrique (25) d'entraînement dudit rotor (4), ou entraînant directement ledit rotor via un multiplicateur de vitesse (22). 9. Groupe (100) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite bobine d'induction (41) est alimentée en 25 courant électrique par une génératrice (21) entraînée par une éolienne (20). 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé par le fait que ladite éolienne (20) est à axe horizontal et installée entre des ouvertures ménagées en 30 toiture dans deux pignons d'un bâtiment exposés aux vents dominants. 7. caractérisé par le fait que ledit rotor (4) comporte six Groupe (100) selon la que ladite chemise (33) coaxiale et à paroi interne (32). Groupe (100) selon l'une des revendications 4 à 6, pôles