Brevet FR2973104A1 — publié le 20120928

BIGN 2 2973104 1 DISPOSITIF DE PRODUCTION DE GAZ FROID ET INSTALLATION DE CLIMATISATION COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne un dispositif de production de gaz froid et une installation de climatisation comprenant un tel dispositif. Le but de la présente invention est de fournir un dispositif de production de gaz froid et une installation de climatisation comprenant un tel dispositif présentant un bon rendement énergétique et un faible coût d'utilisation. A cette fin, la présente invention propose un dispositif de production de gaz froid comprenant une pompe hydraulique, la pompe hydraulique comprenant un chambre motrice et une chambre de compression, la chambre de compression étant en communication de fluide avec une chambre de travail d'un moteur pneumatique et la chambre motrice étant en communication de fluide avec une enceinte délimitée par une membrane laquelle est adaptée à se dilater pour réduire le volume de l'enceinte. Suivant des modes de réalisation préférés, l'invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - le dispositif de production de gaz froid comprend des moyens d'échange thermique entre la sortie du moteur pneumatique et un conduit reliant la chambre de compression de la pompe hydraulique et la chambre de travail du moteur pneumatique ; - la pompe hydraulique comporte : - un cylindre de pompage et un piston de pompage apte à coulisser dans le cylindre de pompage et délimitant la chambre de pompage dans le cylindre de pompage, - un cylindre moteur et un piston moteur apte à coulisser dans le cylindre moteur et délimitant la chambre motrice dans le cylindre moteur, - une liaison cinématique entre le piston moteur et le piston de pompage de telle sorte qu'une augmentation de volume de la chambre motrice corresponde à une réduction de volume de la chambre de pompage et réciproquement ; - l'enceinte à une forme annulaire, la membrane délimitant l'enceinte radialement à l'intérieur ; - le dispositif comprend un accumulateur, destiné à lisser le débit, disposé entre la pompe hydraulique et le moteur pneumatique ; - la sortie du moteur pneumatique est sélectivement en communication de fluide avec la chambre de pompage ; R:132400A32449 BIGN\3 2449--1 1 032 2 dde tq déposée.doc 1/9 22/03/2011 6:43 32449 BIGN 2 2973104 2 - le piston du moteur pneumatique est couplé à un dispositif de récupération d'énergie, notamment une génératrice d'électricité ; - la membrane est sélectivement en échange thermique avec une source chaude, par exemple un dispositif de chauffe eau solaire ; 5 - la membrane est sélectivement en échange thermique avec une source froide ; - le dispositif comprend en outre un échangeur thermique disposé en aval de la sortie du moteur pneumatique et en amont de la chambre de pompage ; L'invention vise également une installation de climatisation comprenant un dispositif tel que décrit ci-avant et un circuit d'amenée d'un fluide caloporteur 10 traversant l'échangeur thermique du dispositif. L'invention se rapporte aussi à un procédé de production de gaz froid comprenant les étapes de : - dilatation d'une membrane délimitant une enceinte pour comprimer un fluide contenu dans l'enceinte ; 15 - déplacement d'un piston provoqué par le fluide comprimé, le déplacement du piston comprimant un gaz ; - détente indirecte du gaz comprimé dans un moteur pneumatique par fourniture d'un travail sur le piston du moteur pneumatique ; Ce procédé peut notamment être mis en oeuvre avec un dispositif tel que décrit 20 ci-avant dans toutes ses combinaisons. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré de l'invention, donnée à titre d'exemple et en référence au dessin annexé. L'unique figure représente schématiquement une installation de climatisation 25 selon l'invention. L'installation de climatisation 10 de la figure 1 comprend tout d'abord un dispositif de production de gaz froid 12. Le dispositif 12 de production de gaz froid comporte une pompe hydraulique 14 et un moteur pneumatique 16. 30 Le moteur pneumatique 16 est alimenté en gaz comprimé par la pompe hydraulique 14. Pour assurer la continuité du débit de gaz comprimé alimentant le moteur pneumatique 16, un accumulateur 18 peut être ménagé entre la pompe hydraulique 14 et le moteur pneumatique 16. Plus précisément, la pompe hydraulique 14 alimente en gaz comprimé, par 35 exemple de l'air, une chambre de travail 20 du moteur pneumatique. Le gaz comprimé fournit ainsi un travail sur le piston 22 du moteur pneumatique 16 pour le repousser depuis sa position de point mort haut vers sa position de point mort bas. Le travail R:132400A32449 BIGN/3 2449--1 1 032 2 dde tq déposée.doc 2/9 22/03/2011 6:43 32449 BIGN 2 2973104 3 fourni par le gaz comprimé peut être récupéré au moyen d'un dispositif de récupération d'énergie 24. Le dispositif de récupération d'énergie 24 peut ainsi, par exemple, être un système bielle manivelle. Le dispositif de récupération d'énergie peut être accouplé à une génératrice d'électricité. 5 Par ailleurs, le gaz comprimé, en fournissant un travail au piston 22 se détend. Cette détente constitue le premier temps d'une détente indirecte. Cette détente indirecte permet, sous l'effet connu sous le nom d'effet Joule Thompson, un refroidissement intense du gaz comprimé. Ce gaz froid peut être utilisé pour refroidir un fluide caloporteur circulant à 10 l'intérieur d'une chambre 32 dans laquelle sont disposés des échangeurs thermiques 28 et 30 comme cela est représenté sur la figure 1. Pour ce faire, le gaz froid passe à travers les échangeurs thermiques 28, 30. Ces échangeurs thermiques 28, 30 sont en outre parcourus un fluide caloporteur, comme par exemple de l'eau glycolée ou autre. Ce fluide caloporteur parcourt un circuit comprenant notamment un second échangeur 15 thermique dans lequel le fluide caloporteur échange des calories avec l'air présent dans le local à rafraîchir. Le gaz détendu et réchauffé après son passage dans les deux échangeurs thermiques 28, 30 retourne ensuite dans une chambre de pompage 31 de la pompe hydraulique 14 où il peut subir une nouvelle compression. En d'autres termes, les 20 échangeurs thermiques 28, 30 sont disposés en aval de la sortie du moteur pneumatique 16 et en amont de la chambre de pompage 31. En l'espèce, la sortie du moteur pneumatique 16, par laquelle s'échappe le gaz après la détente, passe dans une chambre 32. La chambre 32 entoure un conduit 34 d'alimentation en gaz comprimé du moteur pneumatique 16. Le conduit 34 25 d'alimentation en gaz comprimé du moteur pneumatique 16 s'étend entre la sortie de la pompe hydraulique et compresseur de gaz 14 et l'entrée du moteur pneumatique 16, plus précisément entre l'accumulateur 18 et l'entrée du moteur pneumatique 16. La chambre 32 et le conduit d'alimentation 34 permettent un échange thermique entre le gaz détendu froid sortant du moteur pneumatique 16 et le gaz comprimé chaud 30 alimentant le moteur pneumatique 16. Le gaz comprimé est ainsi refroidi avant son entrée de le moteur pneumatique 16, ce qui permet d'avoir un gaz détendu plus froid en sortie du moteur pneumatique. Il a ainsi peut être obtenu un gaz détendu en sortie du moteur pneumatique présentant une température de l'ordre de - 140 °C. On va maintenant décrire plus précisément la structure et le fonctionnement de 35 la pompe hydraulique 14. R:132400A32449 BIGN\3 2449--1 1 032 2 dde tq déposée.doc 3/9 22/03/2011 6:43 32449 BIGN 2 2973104 4 La pompe hydraulique 14 comporte, comme cela a déjà été dit, une chambre de pompage 31 délimitée dans un cylindre de pompage 36 par un piston de pompage 38 apte à coulisser dans le cylindre de pompage 36. La pompe hydraulique comporte encore un cylindre moteur 40 et un piston 5 moteur 42 apte à coulisser dans le cylindre moteur 40. Le piston moteur 42 délimite une chambre motrice 44 dans le cylindre moteur 40. Il existe une liaison cinématique entre le piston moteur 42 et le piston de pompage 38 de telle sorte qu'une augmentation de volume de la chambre motrice 44 corresponde à une réduction de volume de la chambre de pompage 31 et 10 réciproquement. En l'espèce, le piston moteur 42 et le piston de pompage 38 sont reliés solidairement par une tige 46 de telle sorte que le mouvement du piston de pompage 38 est identique au mouvement du piston moteur 44, tandis que les chambres de pompage 31 et motrice 44 sont disposées symétriquement par rapport à l'ensemble 15 formé par les deux pistons moteur 42 et de pompage 38 et la tige 46. Le piston moteur 42 et le piston de pompage 38 peuvent notamment être monoblocs. La chambre motrice 44 de la pompe hydraulique 14 est sélectivement en communication de fluide avec une enceinte 48. L'enceinte 48 comprend un fluide 20 hydraulique, comme par exemple de l'huile hydraulique, plus précisément de l'huile hydraulique à vérin. L'enceinte 48 présente ici une forme annulaire. Sa paroi radialement externe est réalisée en un matériau à faible conduction thermique alors que sa paroi radialement interne est formée par une membrane 50. L'enceinte 48 est donc partiellement 25 délimitée par la membrane 50. L'enceinte 48 possède un coefficient de dilatation élevé, notamment de l'ordre de 23,8.10-6 °C-1 voire supérieure à cette valeur. La membrane radialement interne 50 est sélectivement et alternativement en échange thermique avec une source chaude 52 et une source froide 54 pour provoquer alternativement la dilation et la contraction de la membrane 50 et ainsi comprimer le 30 fluide hydraulique présent dans l'enceinte 48. Pour ce faire, les injecteurs des caloporteurs chaud et froid situés radialement à l'intérieur de la membrane 50 sont en communication de fluide sélectivement et alternativement avec la source chaude 52 et la source froide 54. En l'espèce la source chaude 52 est composée de capteurs solaires du type 35 chauffe-eau solaires à tubes sous vides. La source froide 54, quant à elle, peut notamment être choisie parmi de l'eau à température ambiante recyclée par un échangeur thermique eau/air, une piscine, de R:132400A32449 BIGN\3 2449--1 1 032 2 dde tq déposée.doc 4/9 22/03/2011 6:43 32449 BIGN 2 2973104 5 l'eau courante, de l'eau de récupération ou recyclée en circuit fermé par un échangeur thermique, en échange thermique avec l'air ambiant. Le fluide contenu dans l'enceinte 48 est ainsi alternativement comprimé et détendu en fonction de la source avec laquelle la membrane 50 échange des calories, 5 c'est-à-dire, ici, en fonction de la source chaude ou froide en communication de fluide avec des injecteurs 56 qui projette le fluide provenant alternativement de la source chaude et de la source froide sur la membrane 50. Ainsi, lorsque les injecteurs 56 sont en communication de fluide avec la source chaude, ils provoquent la dilatation de la membrane 50 et la compression du fluide contenu dans l'enceinte 48. Le fluide 10 hydraulique s'échappe alors hors de l'enceinte 48 et pénètre dans la chambre motrice 44 de la pompe hydraulique. Se faisant, le liquide repousse le piston moteur 42 ce qui provoque la compression du fluide dans la chambre de pompage 31. Lorsque les injecteurs sont en communication de fluide avec la source froide, il provoquent alors une contraction de la membrane 50 qui permet le reflux du liquide de l'enceinte 48 15 sous l'effet d'une pression résiduelle s'appliquant sur la surface du piston de pompage 38. Cette pression provient de l'air froid dans la chambre 32 qui est évacué à l'échappement du moteur pneumatique 16 dans cette chambre 32. Cet air froid, obtenu en sortie du moteur pneumatique 16, transite en effet à travers la chambre 32 vers la chambre de pompage 31, lorsque le piston de pompage 20 38 est en mode retour (c'est-à-dire qu'il se déplace de manière à augmenter le volume de la chambre de pompage 31). Bien entendu, les sorties de la chambre de pompage 31 sont munies de clapets (non représentés) adaptés pour assurer l'effet de pompage par leurs fermetures et ouvertures en fonction du déplacement du piston de pompage 38. 25 Il est à noter que la dilatation de la membrane fournit à la chambre motrice une quantité limitée de liquide, mais celui-ci est à une pression élevée, notamment de l'ordre de 1000 bars, voire supérieure à 1000 bars. Pour que la pompe hydraulique puisse fournir le débit nécessaire de gaz comprimé, le piston de pompage 38 présente une aire en contact avec le gaz nettement supérieur à l'aire du piston moteur en 30 contact avec le liquide. Ainsi, la grande pression et le petit débit de fluide à permettent de comprimer une plus grande quantité de gaz, mais à une pression plus faible. A titre d'exemple, l'aire du piston de pompage 38 en contact avec le gaz comprimé peut être 10 fois supérieure à l'aire du piston moteur 42 en contact avec le fluide. Bien entendu, lorsque la chambre de pompage se remplit de gaz, le piston de 35 pompage est repoussé, de sorte que le piston moteur est également repoussé. Dans ce cas, il est nécessaire que la membrane soit en échange thermique avec la source froide R:132400A32449 BIGN\3 2449--1 1 032 2 dde tq déposée.doc 5/9 22/03/2011 6:43 32449 BIGN 2 2973104 6 pour que le rétrécissement de la chambre motrice corresponde à une contraction de la membrane et une détente du fluide. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et au mode de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes 5 accessibles à l'homme de l'art. R:132400A32449 BIGN\3 2449--1 1 032 2 dde tq déposée.doc 6/9 22/03/2011 6:43 REVENDICATIONS1. Dispositif (12) de production de gaz froid comprenant une pompe hydraulique (14), la pompe hydraulique comprenant un chambre motrice (44) et une chambre de compression (31), la chambre de compression (31) étant en communication de fluide avec une chambre de travail (20) d'un moteur pneumatique (16) et la chambre motrice étant en communication de fluide avec une enceinte (48) délimitée par une membrane (50) laquelle est adaptée à se dilater pour réduire le volume de l'enceinte (48). 2. Dispositif de production de gaz froid selon la revendication 1, comprenant des moyens d'échange thermique entre la sortie du moteur pneumatique (16) et un conduit (34) reliant la chambre de compression (31) de la pompe hydraulique (14) et la chambre de travail (20) du moteur pneumatique (16). 3. Dispositif de production de gaz froid selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la pompe hydraulique (14) comporte : un cylindre de pompage (36) et un piston de pompage (38) apte à coulisser dans le cylindre de pompage (36) et délimitant la chambre de pompage (31) dans le cylindre de pompage (36), - un cylindre moteur (40) et un piston moteur (42) apte à coulisser dans le cylindre moteur (40) et délimitant la chambre motrice (44) dans le cylindre moteur (40), une liaison cinématique (46) entre le piston moteur (42) et le piston de pompage (38) de telle sorte qu'une augmentation de volume de la chambre motrice (44) corresponde à une réduction de volume de la chambre de pompage (31) et réciproquement. 4. Dispositif de production de gaz froid selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, dans lequel l'enceinte (48) à une forme annulaire, la membrane (50) délimitant l'enceinte radialement à l'intérieur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un accumulateur disposé entre la pompe hydraulique et le moteur pneumatique. R:\32400\32449 BIGM32449-110527 Réponse irrégularité Revs.doc 1/2 31/05/2011 5:27 20 25 35449 BIGN 2 2 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la sortie du moteur pneumatique (16) est sélectivement en communication de fluide avec la chambre de pompage (31). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le piston (22) du moteur pneumatique est couplé à un dispositif de récupération d'énergie, notamment une génératrice d'électricité. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la membrane (50) est sélectivement en échange thermique avec une source chaude, par exemple un dispositif de chauffe eau solaire. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la membrane (50) est sélectivement en échange thermique avec une source froide. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un échangeur thermique (28 ; 30) disposé en aval de la sortie du moteur pneumatique (16) et en amont de la chambre de pompage (31). 20 11. Installation de climatisation comprenant un dispositif selon la revendication 10 et un circuit d'amenée d'un fluide caloporteur traversant l'échangeur thermique (28 ; 30). 12. Procédé de production de gaz froid comprenant les étapes de : 25 dilatation d'une membrane (50) délimitant une enceinte (48) pour comprimer un fluide contenu dans l'enceinte (48) ; - déplacement d'un piston (38) provoqué par le fluide comprimé, le déplacement du piston (38) comprimant un gaz ; détente indirecte du gaz comprimé dans un moteur pneumatique (16) par 30 fourniture d'un travail sur le piston (22) du moteur pneumatique (16) ; 13. Procédé selon la revendication 12, mis en oeuvre avec un dispositif (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes. R:\32400\32449 BIGN\32449-110527 Réponse irrégularité Revs.doc 2/2 31/05/2011 5:2715