Brevet FR2985304A1 — publié le 20130705

DISPOSITIF THERMODYNAMIQUE AUTONOME POUR CHAUFFER ET/OU CLIMATISER UN VOLUME Domaine technique : La présente invention concerne un dispositif thermodynamique autonome pour chauffer et/ou climatiser un volume comportant un circuit de fluide frigorigène principal pourvu au moins d'un compresseur agencé pour élever la pression et par conséquent la température dudit fluide frigorigène, d'un condenseur agencé pour évacuer la chaleur absorbée par ledit fluide frigorigène comprimé vers un circuit externe et d'un détendeur agencé pour réduire la pression et par conséquent la température dudit fluide frigorigène. Technique antérieure : Les pompes à chaleur sont largement connues et se déclinent en différentes versions selon la nature de la source de captage de l'énergie thermique utile : l'air (aérothermie), l'eau (aquathermie), le sol (géothermie) ou autres. Elles fonctionnent toutes sur le même principe à savoir qu'on utilise le changement d'état liquide/gazeux d'un fluide frigorigène pour produire de l'énergie thermique selon que le fluide est comprimé à l'état liquide puis détendu à l'état gazeux au moyen respectivement d'un compresseur et d'un détendeur. L'énergie thermique absorbée par le fluide frigorigène est utilisée pour chauffer et/ou refroidir un local, une enceinte, un bâtiment ou similaire, par l'intermédiaire d'un condenseur ou échangeur de chaleur dans lequel le fluide frigorigène transfert une partie de l'énergie thermique qu'il a absorbé directement ou à un fluide secondaire tel que l'eau d'un circuit de chauffage ou l'eau glycolée d'un circuit de climatisation. Les pompes à chaleur comportent en général quatre organes principaux à savoir : - un compresseur actionné par un moteur électrique qui élève la pression et par conséquent la température du fluide frigorigène gazeux, - un condenseur dans lequel le fluide frigorigène libère sa chaleur au fluide secondaire en passant de l'état gazeux à l'état liquide, - un détendeur dynamique qui réduit la pression et par conséquent la température du fluide frigorigène, ce détendeur étant généralement raccordé à une réserve de fluide frigorigène, et - un évaporateur qui capte de la chaleur dans une source externe (air, eau, sol, autres) pour faire passer le fluide frigorigène de l'état liquide à l'état gazeux et éviter son givrage. L'évaporateur nécessite par conséquent une pompe ou un ventilateur associé à une alimentation électrique et un circuit de commande, qui ont un impact négatif sur le rendement total de la pompe à chaleur et sur son coût énergétique. La version aérothermie nécessite de placer le ou les ventilateurs à l'extérieur, ce qui n'est pas toujours possible soit à cause du manque de place, soit à cause des nuisances sonores générées. Les versions aquathermie et géothermie nécessitent quant à elles des forages verticaux ou horizontaux représentant des travaux de terrassement lourds et coûteux, qui ne sont pas toujours réalisables ou sont difficilement réalisables. Dans toutes les versions, il est nécessaire d'avoir à disposition une source de captage d'énergie thermique, ce qui constitue une contrainte pour certaines applications dans lesquelles aucune source de captage n'est pas disponible ou réalisable. Dans le cas où l'utilisation d'une pompe à chaleur n'est pas possible, la solution consiste à se rabattre sur des chaudières ou climatiseurs utilisant d'autres technologies que celle des pompes à chaleur. Exposé de l'invention : La présente invention vise à apporter une solution aux problèmes évoqués ci-dessus en proposant une nouvelle génération de dispositif thermodynamique ou pompe à chaleur pouvant fonctionner de manière autonome, c'est à dire sans source de captage donc sans évaporateur, uniquement avec une source d'énergie électrique pour alimenter le compresseur, cette solution permettant de réduire le coût d'investissement et d'exploitation d'un tel dispositif, de le rendre polyvalent, facile à installer, dans un encombrement réduit, sans travaux préalables. Un autre but de l'invention est d'utiliser une quantité très réduite de fluide frigorigène et d'offrir un dispositif écologique et économique. Un autre but est également de réduire l'encombrement d'un tel dispositif thermodynamique pour le rendre mobile et facilement amovible. Dans ce but, l'invention concerne un dispositif thermodynamique du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce que ledit détendeur est constitué d'une chambre de détente pourvue d'un orifice d'entrée dudit fluide frigorigène situé sur un premier côté de ladite chambre et d'un orifice de sortie dudit fluide frigorigène situé sur un second côté de ladite chambre, opposé audit premier côté, l'orifice de sortie étant situé plus bas que l'orifice d'entrée et présentant un diamètre supérieur à celui de l'orifice d'entrée, en ce que la section de ladite chambre de détente est agencée pour détendre instantanément le fluide frigorigène entrant le faisant passer d'un état liquide haute pression à un état gazeux basse pression, et en ce que ladite chambre de détente est raccordée à un orifice d'aspiration dudit compresseur par un conduit retour agencé pour comprimer ledit fluide frigorigène préalablement détendu. Dans une forme de réalisation préférée, la chambre de détente définit une section de détente au moins trois fois supérieure à la section de l'orifice d'aspiration dudit compresseur. De même, le conduit retour est raccordé à l'orifice de sortie de ladite chambre de détente avec une section de passage au moins deux fois supérieure à la section de l'orifice d'aspiration dudit compresseur et à l'orifice d'aspiration dudit compresseur avec une section de passage égale à la section dudit orifice d'aspiration. De manière avantageuse, la chambre de détente est disposée au-dessus du conduit retour qui est lui-même constitué d'un serpentin disposé au dessus du compresseur. La chambre de détente est de préférence orientée selon un plan sensiblement horizontal et comporte un fond incliné permettant l'écoulement par gravité en direction du compresseur des éventuels résidus d'huile du compresseur contenus dans ledit fluide frigorigène. Le condenseur peut être constitué d'un échangeur de chaleur se présentant sous la forme d'un serpentin de préférence enroulé autour du compresseur de sorte à récupérer par conduction une partie de l'énergie thermique produite par ledit compresseur. Ce dispositif thermodynamique peut comporter une vanne de régulation, disposée sur le circuit principal en aval du compresseur et en amont de la chambre de détente, pour contrôler la pression du fluide frigorigène en sortie du compresseur. De même, il peut comporter un pressostat disposé en amont de la vanne de régulation pour contrôler le fonctionnement du compresseur en fonction de la pression du fluide frigorigène. Dans une variante de réalisation, le dispositif thermodynamique selon l'invention peut comporter un circuit de fluide frigorigène additionnel raccordé en parallèle sur le circuit de fluide frigorigène principal au moyen de vannes trois voies agencées pour inverser la circulation du fluide frigorigène et rendre le dispositif réversible chauffage/climatisation. Ce dispositif est particulièrement compact et logé dans un caisson fermé et étanche. Description sommaire des dessins : La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de deux modes de réalisation donnés à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue de face d'un dispositif thermodynamique selon l'invention en mode chauffage, et - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 d'un dispositif thermodynamique en mode réversible chauffage/climatiseur. Illustrations de l'invention et différentes manières de la réaliser : En référence à la figure 1, le dispositif thermodynamique 1 selon l'invention tel que représenté est un dispositif autonome permettant de chauffer un volume, tel un local ou similaire. Il comporte un circuit de fluide frigorigène principal 2 pourvu d'un compresseur 3 agencé pour élever la pression et par conséquent la température dudit fluide frigorigène, d'un condenseur 4 raccordé à l'orifice de refoulement 31 du compresseur 3 et agencé pour évacuer la chaleur absorbée par ledit fluide frigorigène comprimé vers un circuit externe 5, tel qu'un circuit de chauffage, et d'un détendeur 6 disposé entre le condenseur 4 et le compresseur 3 et agencé pour réduire la pression et par conséquent la température dudit fluide frigorigène avant son retour dans le compresseur 3 par l'orifice d'aspiration 30. Dans l'exemple représenté, le condenseur 4 est constitué d'un échangeur de chaleur comportant un circuit primaire 2a, faisant partie du circuit principal 2, dans lequel circule le fluide frigorigène en haute pression HP à l'état liquide en provenance du compresseur 3, et un circuit secondaire ou circuit externe 5, dans lequel circule un fluide caloporteur tel que l'eau d'un circuit de chauffage grâce à une pompe 50 et des vannes de régulation 51. Les fluides contenus dans les circuits primaire et secondaire de l'échangeur de chaleur circulent en sens inverse, et le serpentin formant l'échangeur de chaleur est avantageusement enroulé autour du compresseur 3 pour récupérer par conduction l'énergie thermique produite par ledit compresseur 3 augmentant ainsi le gradient de température des fluides circulant dans ledit échangeur. L'invention se distingue de l'état de la technique par une chambre de détente 6 disposée sur le circuit retour 2b du fluide frigorigène en haute pression HP à l'état liquide, qui remplace avantageusement le détendeur dynamique et l'évaporateur des pompes à chaleur classiques. Le fluide frigorigène ayant évacué une partie de ses calories dans le condenseur 4 entre dans le circuit de retour 2b à l'état liquide en haute pression HP où il subit une détente instantanée dans la chambre de détente 6, grâce à une section de passage très élargie par rapport à la section des conduits du circuit principal 2 et de l'orifice d'aspiration 30 du compresseur 3, et passe instantanément d'un état liquide à haute pression HP dans un état gazeux à basse pression BP. Il retourne dans cet état gazeux à basse pression BP dans le compresseur 3 par un conduit retour 7 dont la section est dégressive pour aboutir à la section de l'orifice d'aspiration 30 du compresseur 3 ayant pour effet de comprimer progressivement le fluide frigorigène préalablement détendu et par conséquent de le réchauffer, sans avoir besoin de source de captage externe. La chambre de détente 6 définit une section de détente Si au moins trois fois supérieure à la section S3 de l'orifice d'aspiration 30 du compresseur 3 et le conduit retour 7 est raccordé à la chambre de détente 6 par une section S2 au moins deux fois supérieure à la section S3 de l'orifice d'aspiration 30 du compresseur et se termine par une section égale à ladite section S3 pour que le fluide frigorigène entre dans le compresseur à l'état gazeux. Le volume de la chambre de détente 6 est calculé en fonction de la puissance d'aspiration dudit compresseur 3. La chambre de détente 6 est disposée au-dessus du conduit retour 7 de préférence selon un plan sensiblement horizontal. Elle comporte un orifice d'entrée 60 du fluide frigorigène situé sur un premier côté de la chambre et un orifice de sortie 61 du fluide frigorigène situé sur un second côté de la chambre, opposé au premier côté, l'orifice de sortie 61 étant situé plus bas que l'orifice d'entrée 60 et présentant un diamètre ou une section S2 deux fois supérieure à la section S3 de l'orifice d'aspiration 30 du compresseur 3. Elle comporte en outre un fond incliné 62 dans le sens de circulation du fluide frigorigène, permettant l'écoulement par gravité en direction du compresseur 3 des éventuels résidus d'huile issus du compresseur 3 et contenus dans le fluide frigorigène. Le conduit retour 7 se présente sous la forme d'un serpentin disposé en-dessous de la chambre de détente 6 et au-dessus du compresseur 3. Il constitue ainsi une rampe en direction du compresseur 3 pour l'écoulement par gravité des éventuels résidus d'huile issus du compresseur 3 et contenus dans le fluide frigorigène. De plus, il bénéficie par convection de l'énergie thermique dégagée par ledit compresseur 3. Sur le circuit retour 2b, la température du fluide frigorigène est régulée par une vanne de régulation 8 qui permet de varier la pression dudit fluide frigorigène à la sortie du compresseur 3 et éviter ainsi le givrage du fluide frigorigène à l'entrée de la chambre de détente 6. Plus la vanne de régulation 8 est fermée et plus la température du fluide frigorigène est élevée car sa pression en sortie du compresseur 3 est élevée. Des pressostats de sécurité 9a et 9b sont prévus respectivement en amont de la vanne de régulation 8 et sur la chambre de détente 6 ou en aval de celle ci pour contrôler les seuils haute pression HP et basse pression BP du fluide frigorigène et agir sur le fonctionnement dudit compresseur 3. Notamment, pour éviter l'emballement thermique d'un tel dispositif thermodynamique, le pressostat 9a arrêtera le compresseur 3 dès qu'un seuil déterminé de haute pression HP sera atteint par le fluide frigorigène. Ce dispositif thermodynamique peut être complété par des capteurs de température et autres organes de contrôle et/ou de sécurité conformément aux pratiques en thermodynamique. Il peut être piloté par une unité de gestion électronique comportant par exemple un thermostat d'ambiance. La figure 2 illustre une version réversible du dispositif thermodynamique 10 selon l'invention permettant de travailler en mode climatiseur par inversion du sens de circulation du fluide frigorigène. Pour ce faire, il comporte les mêmes éléments constitutifs du dispositif thermodynamique de l'exemple précédent identifiés avec les mêmes numéros de référence, complété par un circuit de fluide frigorigène additionnel 20 raccordé en parallèle sur le circuit principal 2 au moyen de vannes à trois voies 21, 22, 23. Une première vanne à trois voies 21 est disposée sur le circuit retour 2b en amont de la chambre de détente 6 pour dévier le fluide frigorigène vers un premier circuit by-pass 20a qui shunte la chambre de détente 6 et qui est raccordé entre la sortie du condenseur 4 et l'entrée du conduit retour 7. Une deuxième vanne à trois voies 22 est disposée entre la chambre de détente 6 et le conduit retour 7 pour dévier le fluide frigorigène vers un deuxième circuit by-pass 20b qui shunte le conduit retour 7 et qui est raccordé entre l'orifice de sortie 61 de la chambre de détente 6 et l'entrée du condenseur 4 pour échanger avec un circuit externe 5 qui peut être un circuit de réfrigération ou de climatisation. Et la troisième vanne à trois voies 23 est disposée entre l'orifice de refoulement 31 du compresseur 3 et l'entrée du condenseur 4 pour dévier le fluide frigorigène vers un troisième circuit by-pass 20c pour shunter le condenseur 4 et qui est raccordé entre l'orifice de refoulement 31 du compresseur 3 et l'orifice d'entrée 60 de la chambre de détente 6. Lorsque le fluide frigorigène sort du compresseur 3 par l'orifice de refoulement 31 à l'état liquide comprimé en haute pression HP et réchauffé, il est envoyé dans la chambre de détente 6 par le troisième circuit by-pass 23 où il est instantanément détendu et refroidi pour entrer dans le condenseur 4 à l'état gazeux en basse pression BP par le deuxième circuit by-pass 20b. Lorsqu'il sort du condenseur 4 où il s'est réchauffé il est dirigé vers le conduit retour 7 par le premier circuit by-pass 20a. Dans ce conduit retour 7, il est progressivement comprimé tout en restant à l'état gazeux avant d'entrer dans le compresseur 3 par l'orifice d'aspiration 30 où il peut être à nouveau comprimé pour passer à l'état liquide. Ainsi, en faisant circuler le fluide frigorigène en sens inverse que dans l'exemple précédent, on utilise le refroidissement du fluide frigorigène pour climatiser ou réfrigérer un volume, un local ou similaire. La conception superposée et imbriquée du dispositif thermodynamique 1, 10 telle que représentée dans les figures 1 et 2 permet une concentration des éléments constitutifs dans un faible volume qui peut être aisément confiné dans un caisson fermé et isolé. La dimension de ce caisson est comparable à une chaudière à gaz murale. Ce caisson peut être suspendu à un mur, posé sur un socle, ou encore porté par des roulettes pour être mobile, étant donné qu'il n'a besoin que d'une alimentation électrique. Possibilités d'application industrielle : Les éléments constitutifs du dispositif thermodynamique selon l'invention tels que la chambre de détente 6 et le conduit retour 7 sont de préférence réalisés dans un métal très bon conducteur de chaleur et offrant une résistance très élevée à la température et à la pression (jusqu'à 40 bars), tel que le cuivre, l'inox ou similaire, étant précisé que le cuivre offre un excellent rapport qualité/prix. Ces éléments constitutifs peuvent être réalisés une seule pièce ou en plusieurs pièces assemblées par tout procédé approprié selon les contraintes auxquelles lesdits éléments doivent résister. Le compresseur 3 est avantageusement un compresseur du commerce à vitesse de rotation fixe ou à vitesse de rotation variable selon la technologie inverter. Dans ce cas, la vanne de régulation 8 n'est pas nécessaire puisqu'elle est remplacée par le régulateur de fréquence du compresseur inverter. Le fluide frigorigène utilisé est choisi en fonction de l'application visée et des réglementations en vigueur. Le volume de fluide frigorigène nécessaire pour le fonctionnement d'un dispositif thermodynamique développant par exemple 4kWh de puissance est de l'ordre de 200g contre 1,5kg dans une pompe à chaleur classique, soit 7,5 fois moins. Le coefficient de performance (COP), qui correspond au nombre de kWh produit pour lkwh consommé, atteint le COP des pompes à chaleur classiques à savoir un COP de l'ordre entre 3 et 4. Il ressort clairement de cette description que l'invention permet d'atteindre les buts fixés, à savoir un dispositif thermodynamique autonome, compact, performant, sécurisé et silencieux, offrant une solution économique et écologique pour le chauffage et/ou la climatisation pour tout type d'application. Il peut ainsi être installé partout sans contrainte. Il peut aussi servir de chauffage d'appoint à usage domestique, mais aussi à usage professionnel tel que par exemple pour accélérer le séchage d'une dalle en béton. Le dispositif thermodynamique selon l'invention peut être proposé aussi bien neuf à la vente qu'en service après-vente pour transformer les pompes à chaleur déjà en service. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. REVENDICATIONS1. Dispositif thermodynamique (1, 10) autonome pour chauffer et/ou climatiser un volume comportant un circuit de fluide frigorigène principal (2) pourvu au moins d'un compresseur (3) agencé pour élever la pression et par conséquent la température dudit fluide frigorigène, d'un condenseur (4) agencé pour évacuer au moins une partie de l'énergie thermique absorbée par ledit fluide frigorigène vers un circuit externe (5) et d'un détendeur agencé pour réduire la pression et par conséquent la température dudit fluide frigorigène, caractérisé en ce que ledit détendeur est constitué d'une chambre de détente (6) pourvue d'un orifice d'entrée (60) dudit fluide frigorigène situé sur un premier côté de ladite chambre et d'un orifice de sortie (61) dudit fluide frigorigène situé sur un second côté de ladite chambre, opposé audit premier côté, l'orifice de sortie (61) étant situé plus bas que l'orifice d'entrée (60) et présentant un diamètre supérieur à celui de l'orifice d'entrée, en ce que la section (S1) de ladite chambre de détente (6) est agencée pour détendre instantanément le fluide frigorigène entrant le faisant passer d'un état liquide haute pression à un état gazeux basse pression, et en ce que ladite chambre de détente (6) est raccordée à un orifice d'aspiration (30) dudit compresseur (3) par un conduit retour (7) agencé pour comprimer ledit fluide frigorigène préalablement détendu. 2. Dispositif thermodynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chambre de détente (6) définit une section de détente (Si) au moins trois fois supérieure à la section (S3) de l'orifice d'aspiration (30) dudit compresseur (3). 3. Dispositif thermodynamique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit conduit retour (7) est raccordé à l'orifice de sortie (61) de ladite chambre de détente (6) avec une section de passage (S2) au moins deux fois supérieure à la section (S3) de l'orifice d'aspiration (30) dudit compresseur (3) et à l'orifice d'aspiration (30)dudit compresseur (3) avec une section de passage égale à la section (S3) dudit orifice d'aspiration (30). 4. Dispositif thermodynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chambre de détente (6) est disposée au-dessus dudit conduit retour (7) et en ce que ledit conduit retour (7) est constitué d'un serpentin disposé au dessus dudit compresseur (3). 5. Dispositif thermodynamique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite chambre de détente (6) est orientée selon un plan sensiblement horizontal et comporte un fond incliné (62) en direction dudit compresseur (3) permettant l'écoulement par gravité en direction dudit compresseur des éventuels résidus d'huile du compresseur contenus dans ledit fluide frigorigène. 6. Dispositif thermodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit condenseur (4) est constitué d'un échangeur de chaleur se présentant sous la forme d'un serpentin enroulé autour dudit compresseur (3) de sorte à récupérer par conduction une partie de l'énergie thermique produite par ledit compresseur. 7. Dispositif thermodynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une vanne de régulation (8) disposée sur ledit circuit principal (2) fermé en aval dudit compresseur (3) et en amont de ladite chambre de détente (6), ladite vanne étant agencée pour contrôler la pression dudit fluide frigorigène en sortie dudit compresseur (3). 8. Dispositif thermodynamique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un pressostat (9a) disposé en amont de ladite vanne de régulation (8)agencé pour contrôler le fonctionnement dudit compresseur (3) en fonction de la pression dudit fluide frigorigène. 9. Dispositif thermodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de fluide frigorigène additionnel (20) raccordé en parallèle sur le circuit de fluide frigorigène principal (2) au moyen de vannes trois voies (21, 22, 23) agencées pour inverser la circulation dudit fluide frigorigène et rendre le dispositif réversible chauffage/climatisation. 10. Dispositif thermodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est logé dans un caisson fermé et étanche.