Brevet FR2958736A1 — publié le 20111014

-1- La présente invention concerne un dispositif de chauffage ou de refroidissement par des échangeurs thermodynamiques récupérant de l'énergie thermique. Dans les dispositifs de chauffage, dont la source énergétique est en contact avec un matériau qui permet le chauffage d'un fluide récepteur, et que cette énergie soit transférée au matériau par conduction, par convection, ou rayonnement, la source énergétique, chaude, cède de l'énergie thermique à la surface d'échange thermique du matériau. Cette énergie est communiquée et transportée au sein de la matière du matériau jusqu'à la surface d'échange thermique en contact avec le fluide récepteur, froid. Cette surface d'échange thermique en contact avec le fluide récepteur, froid, cède à son tour de l'énergie au fluide récepteur, jusqu'à l'équilibre thermique. L'action de la matière du matériau est un travail de transfert de l'énergie thermique et peut générer, en fonction de la nature de la matière, des forces de dilatation plus ou moins importantes. Le travail de transfert de l'énergie thermique dans la matière, lors du transfert de chaleur, n'est pas exploité. Il en est de même pour les dispositifs de refroidissement. La présente invention vise à exploiter le travail de transfert de l'énergie thermique dans des échangeurs spécifiques et de récupérer de l'énergie thermique de ce travail. Ce dispositif s'applique à tout système, équipement, installation nécessitant le chauffage ou le refroidissement d'un fluide. A cet effet, l'invention a pour objet des échangeurs thermodynamiques avec récupération d'énergie thermique permettant de chauffer ou refroidir un fluide récepteur, par exemple de l'eau, air ou autre, à partir d'une source énergétique, qui peut-être un fluide ou autre, mise à une température et isolée du fluide récepteur. Dans le cas d'un chauffage, la source énergétique est plus chaude que le fluide récepteur. Dans le cas d'un refroidissement, la source énergétique est plus froide que le fluide récepteur. Le dispositif est constitué de deux échangeurs thermodynamiques reliés entre eux par un conduit. Chaque échangeur thermodynamique est constitué d'une cabine contenant un piston, un mouveur, un fluide d'échange et un fluide de travail circulant dans le conduit, de manière à ce que, lorsque le dispositif n'est pas soumis à une différence de température, la pression du fluide de travail, contenu dans les cabines et le conduit, est à la même pression que les fluides d'échanges dans les deux échangeurs thermodynamiques. La cabine, constituée par un échangeur récepteur et un échangeur source, est en contact avec le fluide récepteur et la source énergétique. Le fluide récepteur est en contact avec les surfaces d'échange thermique externes de l'échangeur récepteur et la 2958736 -2- source énergétique est en contact avec les surfaces d'échange thermique externes de l'échangeur source. Le fluide d'échange, fluide compressible, par exemple de l'air, hélium ou autre, est, dans la cabine, alternativement et progressivement en contact avec les surfaces 5 d'échange thermique interne des échangeurs source et récepteur par le déplacement du mouveur, permettant ainsi le transfert d'énergie entre la source énergétique et le fluide récepteur. Le mouveur, type de piston, coulissant dans l'axe de la cabine permet le passage du fluide d'échange dans sa longueur. La longueur du mouveur permet par son 10 déplacement de réduire la surface d'échange thermique du fluide d'échange avec l'un des échangeurs source ou récepteur et d'augmenter la surface d'échange thermique du fluide d'échange avec l'autre échangeur source ou récepteur. Le mouveur possède deux faces latérales dont les surfaces permettent son déplacement par la différence de pression exercée sur ces deux faces due aux variations de température du fluide d'échange et au 15 mouvement du piston. Le piston, coulissant dans l'axe de la cabine, d'un côté, isole et comprime le fluide d'échange et le mouveur dans la partie interne de la cabine, et de l'autre côté, le piston comprime le fluide de travail. Par les différences de pression exercées sur les faces latérales du mouveur, 20 lorsque le piston est poussé par le fluide de travail, le fluide d'échange se comprime et se déplace du côté opposé du mouveur, déplaçant le mouveur. De même lorsque le piston, poussé par la détente du fluide d'échange, est bloqué au fond de la cabine, le fluide d'échange se déplace du côté opposé du mouveur et déplace le mouveur. Ces actions sont concomitantes et s'alternent dans les deux échangeurs 25 thermodynamiques de façon à ce que le fluide d'échange, dans l'un des échangeurs thermodynamiques, soit en phase de détente et, dans l'autre, par la pression exercée sur les pistons, soit en phase de compression et que ces phases s'inversent, dans chacun des échangeurs thermodynamiques, par le mouvement des mouveurs. Le fluide de travail, par les mouvements des pistons dans les deux échangeurs thermodynamiques, 30 circule d'une cabine à l'autre par le conduit. Le conduit, étanche et fixé aux extrémités des deux cabines, offre une résistance à la circulation du fluide de travail par sa composition et ses formes, de façon à ce que la circulation du fluide de travail, dans le cas d'un chauffage, échauffe par frottements, le conduit, ou, dans le cas d'un refroidissement, refroidisse le conduit par la détente du fluide 35 de travail et ainsi récupère de l'énergie thermique. Afin d'assurer l'isolation du piston coulissant dans la cabine, le piston dispose d'un joint d'étanchéité isolant le fluide d'échange et le fluide de travail. De même, 2958736 -3- l'échangeur source et l'échangeur récepteur sont isolés thermiquement l'un de l'autre par un isolant qui maintient l'étanchéité de la cabine, permettant d'éviter des pertes thermiques par conduction. Ainsi, pour canaliser le flux thermique à l'intérieur de la cabine et pour récupérer 5 de l'énergie thermique du déplacement du fluide d'échange à l'intérieur du mouveur, le corps de celui-ci, est constitué d'un matériau isolant thermique et de canaux, conservant l'énergie thermique, permettant la circulation du fluide d'échange d'une face à l'autre du mouveur. Pour permettre le chargement et la maintenance du dispositif, la cabine possède 10 un dispositif de remplissage ou de vidange du fluide d'échange. De même le conduit possède un dispositif de remplissage ou de vidange du fluide de travail. Afin de récupérer de l'énergie thermique du côté de la source énergétique, le conduit relie les deux échangeurs sources des deux échangeurs thermodynamiques. Afin d'équilibrer les forces sur les deux pistons, les deux échangeurs 15 thermodynamiques sont identiques et contiennent la même nature et quantité de fluide d'échange. L'invention reste également fonctionnelle si le conduit est relié à un échangeur thermodynamique et à tout autre dispositif permettant de simuler le fonctionnement du piston de l'autre échangeur thermodynamique. 20 L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de l'exemple de réalisation, donné à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 représente en coupe axiale deux échangeurs thermodynamiques avec 25 récupération d'énergie thermique; les échangeurs thermodynamiques (7 et 8) sont considérés dans cet exemple comme identiques; La figure 2 représente en coupe axiale un échangeur thermodynamique (7ou 8); Dans l'exemple de réalisation de l'invention illustré sur les figures 1 et 2, les 30 cabines (10) sont constituées de deux échangeurs, source (11) et récepteur (12), cylindriques, isolés l'un de l'autre par un isolant thermique (3) et fixés par emboîtement à cet isolant thermique (3). L'échangeur récepteur (12) est en contact avec le fluide récepteur (2) sur toute sa surface externe et possède à son extrémité un dispositif de remplissage ou de vidange 35 (19) du fluide d'échange (18). L'échangeur source (11) est en contact avec un fluide source (1), source énergétique, sur toute sa surface et est relié, à son extrémité, au conduit (4). 2958736 -4- Le fluide d'échange (18), contenu dans la cabine (10), est un fluide compressible qui se détend lorsque qu'il est chauffé et se compresse lorsque qu'il est refroidi. A l'intérieur des cabines (10), le mouveur (14), cylindrique est ajusté à l'isolant (13) pour qu'il coulisse et isole thermiquement les échangeurs (11 et 12), afin que le fluide 5 d'échange (18) circule uniquement par les canaux (15) à l'intérieur du mouveur (14). Le corps du mouveur (14) est constitué d'un matériau isolant et sa longueur occupe toute la longueur de l'échangeur récepteur (12) de façon à ce que lorsqu'il bute contre le fond de l'échangeur récepteur (12), son autre extrémité soit en contact avec l'isolant (13). Les canaux (15) à l'intérieur du mouveur (14) sont constitués par un matériau 10 conservant l'énergie thermique, permettant la circulation du fluide d'échange (18) d'une face à l'autre du mouveur (14). Le piston (16), coulisse dans la cabine (10), et isole par des joints d'étanchéité (17) d'un côté, le fluide d'échange (18) et de l'autre, le fluide de travail (5). Le fluide de travail (5), contenu dans les cabines (10) et le conduit (4), circule 15 dans le conduit (4) par la pression exercée par les pistons (16) des deux échangeurs thermodynamiques (7 et 8). Le conduit (4) offre, par sa composition et ses formes, une résistance à la circulation du fluide de travail (5) dans le cas d'un chauffage, échauffe par frottements le conduit (4), ou dans le cas d'un refroidissement, refroidit le conduit (4) par la détente du 20 fluide de travail (5). Ainsi, lorsque le dispositif est soumis à une différence de température, pour l'un des échangeurs thermodynamiques (8), le piston (16) est poussé par le fluide de travail (5), le fluide d'échange (18) se comprime et se déplace du côté de l'échangeur récepteur (12), déplaçant le mouveur, par la différence de pression entre les deux faces du mouveur 25 (14), vers le piston (16). Pour l'autre échangeur thermodynamique (7), le piston (16) est poussé par la détente du fluide d'échange (18) et bloqué à l'extrémité de l'échangeur source (11), au niveau du conduit (4). Alors, le fluide d'échange (18) se déplace du côté de l'échangeur récepteur (12) et déplace le mouveur (14), par la différence de pression entre les deux faces du mouveur (14), vers l'extrémité de l'échangeur récepteur (12). 30 Pour l'échangeur thermodynamique (8), le déplacement du mouveur (14) entraîne le réchauffement du fluide d'échange (18) qui se détend et pousse le piston (16). Pour l'échangeur thermodynamique (7), le déplacement du mouveur (14), entraîne le refroidissement du fluide d'échange (18) qui est compressé par la poussée exercée dans l'autre échangeur thermodynamique (8) sur le fluide de travail (5) et le piston (16). 35 Ces actions, concomitantes, s'alternent dans les deux échangeurs thermodynamiques (7 et 8), déplaçant ainsi le fluide de travail (5) d'une cabine (10) à l'autre et échauffant ou refroidissant le conduit (4). 2958736 -5- Le présente invention n'est pas limitée au seul exemple de réalisation décrit ci-dessus, mais s'étend à toutes variantes de réalisation et d'application entrant dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS1) Dispositif de chauffage par échangeurs thermodynamiques avec récupération d'énergie thermique permettant de chauffer un fluide récepteur (2), à partir d'une source énergétique (1) plus chaude que le fluide récepteur (2), mise à une température et isolée du fluide récepteur (2), caractérisé en ce qu'il comprend deux échangeurs thermodynamiques (7 et 8) reliés entre eux par un conduit (4), en ce que lesdits échangeurs thermodynamiques (7 et 8) sont constitués, chacun, d'une cabine (10) contenant un piston (16), un mouveur (14), un fluide d'échange (18) et un fluide de travail (5) circulant dans le conduit (4), de manière à ce que, lorsque le dispositif n'est pas soumis à une différence de température, la pression du fluide de travail (5), contenu dans les cabines (10) et le conduit (4), est à la même pression que les fluides d'échange (18) dans les deux échangeurs thermodynamiques (7 et 8), en ce que ladite cabine (10), constituée par un échangeur récepteur (12) et un échangeur source (11), est en contact avec le fluide récepteur (2) et la source énergétique (1), en ce que ledit fluide récepteur (2) est en contact avec les surfaces d'échange thermique externes de l'échangeur récepteur (12) et en ce que ladite source énergétique (1) est en contact avec les surfaces d'échange thermique externes de l'échangeur source (11), en ce que ledit fluide d'échange (18), fluide compressible, est, dans la cabine (10), alternativement et progressivement en contact avec les surfaces d'échange thermique interne des échangeurs source (11) et récepteur (12) par le déplacement du mouveur (14), permettant ainsi le transfert d'énergie entre la source énergétique (1) et le fluide récepteur (2), en ce que ledit mouveur (14), type de piston, coulissant dans l'axe de la cabine (10) permet le passage du fluide d'échange (18) dans sa longueur, en ce que la longueur du mouveur (14) permet par son déplacement de réduire la surface d'échange thermique du fluide d'échange avec l'un des échangeurs source (11) ou récepteur (12) et d'augmenter la surface d'échange thermique du fluide d'échange avec l'autre échangeur source (11) ou récepteur (12), en ce que le mouveur (14) possède deux faces latérales dont les surfaces permettent son déplacement par la différence de pression exercée sur ces deux faces due aux variations de température du fluide d'échange (18) et au mouvement du piston (16), en ce que ledit piston (16), coulissant dans l'axe de la cabine (10), d'un côté, isole et comprime le fluide d'échange (18) et le mouveur (14) dans la partie interne de la cabine (10), et de l'autre côté, le piston (16) comprime le fluide de travail (5), en ce que ledit fluide de travail (5), par les mouvements des pistons (16) dans les deux échangeurs thermodynamiques (7 et 8), circule d'une cabine (10) à l'autre par le conduit (4), en ce que ledit conduit (4), étanche et fixé aux extrémités des deux cabines (10), offre une résistance à la circulation du fluide de travail (5) par sa composition et ses formes, de façon à ce que la circulation du fluide de travail (5) échauffe le conduit (4), et ainsirécupère de l'énergie thermique. 2) Dispositif de refroidissement par échangeurs thermodynamiques avec récupération d'énergie thermique permettant de refroidir un fluide récepteur (2), à partir d'une source énergétique (1) plus froide que le fluide récepteur (2), mise à une température et isolée du fluide récepteur (2), caractérisé en ce qu'il comprend deux échangeurs thermodynamiques (7 et 8) reliés entre eux par un conduit (4), en ce que lesdits échangeurs thermodynamiques (7 et 8) sont constitués, chacun, d'une cabine (10) contenant un piston (16), un mouveur (14), un fluide d'échange (18) et un fluide de travail (5) circulant dans le conduit (4), de manière à ce que, lorsque le dispositif n'est pas soumis à une différence de température, la pression du fluide de travail (5), contenu dans les cabines (10) et le conduit (4), est à la même pression que les fluides d'échanges (18) dans les deux échangeurs thermodynamiques (7 et 8), en ce que ladite cabine (10), constituée par un échangeur récepteur (12) et un échangeur source (11), est en contact avec le fluide récepteur (2) et la source énergétique (1) en ce que ledit fluide récepteur (2) est en contact avec les surfaces d'échange thermique externes de l'échangeur récepteur (12) et en ce que ladite source énergétique (1) est en contact avec les surfaces d'échange thermique externes de l'échangeur source (11), en ce que ledit fluide d'échange (18), fluide compressible, est, dans la cabine (10), alternativement et progressivement en contact avec les surfaces d'échange thermique interne des échangeurs source (11) et récepteur (12) par le déplacement du mouveur (14), permettant ainsi le transfert d'énergie entre la source énergétique (1) et le fluide récepteur (2), en ce que ledit mouveur (14), type de piston, coulissant dans l'axe de la cabine (10) permet le passage du fluide d'échange (18) dans sa longueur, en ce que la longueur de mouveur (14) permet par son déplacement de réduire la surface d'échange thermique du fluide d'échange avec l'un des échangeurs source (11) ou récepteur (12) et d'augmenter la surface d'échange thermique du fluide d'échange avec l'autre échangeur source (11) ou récepteur (12), en ce que le mouveur (14) possède deux faces latérales dont les surfaces permettent son déplacement par la différence de pression exercée sur ces deux faces due aux variations de température du fluide d'échange (18) et au mouvement du piston (16), en ce que ledit piston (16), coulissant dans l'axe de la cabine (10), d'un côté, isole et comprime le fluide d'échange (18) et le mouveur (14) dans la partie interne de la cabine (10), et de l'autre côté, le piston (16) comprime le fluide de travail (5), en ce que ledit fluide de travail (5), par les mouvements des pistons (16) dans les deux échangeurs thermodynamiques (7 et 8), circule d'une cabine (10) à l'autre par le conduit (4), en ce que ledit conduit (4), étanche et fixé aux extrémités des deux cabines (10), offre une résistance à la circulation du fluide de travail (5) par sa composition et ses formes, de façon à ce que la circulation -7--8- du fluide de travail (5), refroidisse le conduit (4) et ainsi récupère de l'énergie thermique. 3) Dispositif de chauffage ou de refroidissement par échangeurs thermodynamiques avec récupération d'énergie thermique selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le piston (16) coulissant dans la cabine (10) dispose d'un joint d'étanchéité isolant le fluide d'échange (18) et le fluide de travail (5). 4) Dispositif de chauffage ou de refroidissement par échangeurs thermodynamiques avec récupération d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'échangeur source (11) et l'échangeur récepteur (12) sont isolés thermiquement l'un de l'autre par un isolant (13) qui maintient l'étanchéité de la cabine. 5) Dispositif de chauffage ou de refroidissement par échangeurs thermodynamiques avec récupération d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps du mouveur (14) est constitué d'un matériau isolant thermique et de canaux (15), conservant l'énergie thermique, permettent la circulation du fluide d'échange d'une face à l'autre du mouveur (14). 6) Dispositif de chauffage ou de refroidissement par échangeurs thermodynamiques avec récupération d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cabine (10) possède un dispositif de remplissage ou de vidange (19) du fluide d'échange (18). 7) Dispositif de chauffage ou de refroidissement par échangeurs thermodynamiques avec récupération d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le conduit (4) possède un dispositif de remplissage ou de vidange (6) du fluide de travail (5). 8) Dispositif de chauffage ou de refroidissement par échangeurs thermodynamiques avec récupération d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le conduit (4) relie les deux échangeurs sources (11) des deux échangeurs thermodynamiques (7 et 8). 9) Dispositif de chauffage ou de refroidissement par échangeurs thermodynamiques avec récupération d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les deux échangeurs thermodynamiques (7 et 8) sont identiques et qu'ils contiennent la même nature et quantité de fluide d'échange (18). 10) Dispositif de chauffage ou de refroidissement par échangeurs thermodynamiques avec récupération d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le conduit (4) est relié à un échangeur thermodynamique (7) et à 2958736 -9- tout autre dispositif permettant de simuler le fonctionnement du piston (16) d'un autre échangeur thermodynamique (8).