Brevet FR3040089A1 — publié le 20170217

DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention ci-après concerne le coeur d'une machine thermodynamique communément appelée « pompe à chaleur ». Son principe de base, dans l'ensemble, est de convertir une énergie mécanique en rotation en une source de chaleur (ou froideur) extraite du milieu ambiant (atmosphérique, souterrain ou aquatique). La raison d'être de cette invention est l'amélioration sensible du coefficient de performance par rapport aux autres systèmes commerciaux actuels. Le principe est basé sur la disposition de compresseurs axiaux en cascade avec une régénération. Ledit système permet d'exploiter avantageusement les principes thermodynamiques en oeuvre dans les « pompes à chaleur ». Dans les systèmes grand publiques existant à l'heure actuelle, les compresseurs possèdent un unique étage de compression et un fluide caloporteur généralement déplorable d'un point de vue environnemental. Les rares systèmes à plusieurs étages sont réservés à l'industrie et possèdent un échangeur de chaleur entre les compresseurs. Le système proposé ici s'affranchit d'une part d'un quelconque fluide caloporteur, mais également de systèmes d'échangeurs thermique entre les compresseurs. Le modèle exposé ici a la particularité de fonctionner grâce à une seule pièce mobile en rotation : la turbine multi-étagée. Il devient évident qu'un tel système est moins cher à réaliser, plus simple et plus puissant à volume égal. Voici le fonctionnement du système proposé : Le rotor est constitué d'un unique axe (1) traversant l'ensemble sur lequel sont fixés la totalité des turbines du système (2), (2a) et (3). Ce rotor est mis en rotation par un quelconque moteur rotatif (4), électrique ou autres (non représenté sur les figures). De l'air ambiant (ou tout autre gaz) (5) est aspiré dans la turbine. Ce flux de gaz est comprimé graduellement à travers une série d'étages de turbines successives (2), (2a) pour atteindre la pression et la température désirée en bout de zone de compression (6). Le flux est ensuite envoyé dans un échangeur thermique (7) puis ramené sur la turbine « motrice » (éolienne) (3) où il se détend afin de redonner une énergie substantielle au système et le rendre ainsi fortement économique en matière de consommation primaire (électrique par exemple). Cette machine est multi-étagée et divisée en deux zones principales : - Les turbines de compressions (2) (2a). 3040089 2 - La turbine dite « motrice » (3). Pour ce qui est des turbines de compression (2), (2a) : 1) Elles sont superposées les unes aux autres. 2) Leurs formes ainsi que leurs « angles de calages par rapport au plan de rotation » sont de nature 5 à ce que les gaz soient davantage compressés au passage de chacune d'elles. 3) Leur nombre n'est pas limité en théorie. Il est lié au coefficient de performance, mais ce nombre est à optimiser pour chaque application. 4) La forme intérieure du stator (8), dans la zone de compression est directement liée à la forme et à l'angle d'incidence des pales (ou aubes) des turbines. 10 Pour l'ensemble de la pièce en rotation, une vitesse de rotation élevée est bénéfique car elle permet d'améliorer le débit d'air, donc la puissance massique, et dans une certaine mesure, le rendement. Pour ce qui est de la turbines motrice « éolienne » (3) : 1) Elle est unique pour un rendement optimal. Mais il est possible d'en mettre en série dans certaines conditions. 15 2) Elle est conçue pour recevoir un couple plus grand qu'une quelconque des turbines de compression. 3) Elle peut avoir des formes radicalement différentes selon le modèle : en recevant un flux de gaz radial ou axial. Des paliers (9), (9a), supportent l'axe du rotor. Leurs qualité et performance influencent 20 directement la durée de vie du système. Un échangeur thermique (7) est placé, entre les turbines de compression et de détente. Il permet de récupérer de la chaleur pour toute application. Cette zone peut aussi servir à dissiper la chaleur des gaz dans le but de récupérer le flux final (10) de sortie plus froide qu'en entrée, afin de l'utiliser en tant que réfrigérant. Dans ce cas précis, une utilisation directe de l'air est possible, en tant que 25 ventilation domestique, car elle se trouve à pression ambiante. Pour les gaz chauds obtenus eri sortie de la zone de compression (6), il y a une possibilité d'utilisation sans échangeurs en usage domestique permise par la faible pression (de l'ordre de 2 à 3 bars). En effet, un simple circuit de tuyaux dans les dalles d'un bâtiment permet de véhiculer l'énergie thermique sans l'aide d'échangeur particulier. 30 Afin d'améliorer le rendement global du système, il est impératif de disposer une série d'aubes statiques (11) sur l'intérieur du stator afin de maintenir le sens du flux de gaz globalement parallèle à l'axe de rotation. La simplicité de l'ensemble, l'absence de contacts mécaniques, ainsi que les faibles températures nécessaires pour un usage domestique font que des matériaux très simples et bon marché peuvent être utilisés tels que le plastique ou la résine. Parmi les nombreux avantages de cette invention, il convient de citer : - Le très bon coefficient de performance. 3040089 3 - L'absence de contact avec une pièce mobile (hormis les paliers). - La puissance massique. - La possibilité d'utilisation directe de l'air ambiant sans passer par un échangeur. - Une utilisation tels quels des gaz chauds ou froids dans certaines applications. 5 - Un impact écologique très faible par rapport aux systèmes actuels destructeurs d'ozone. REVENDICATIONS1) - Dispositif mécanique d'extraction d'énergie d'un gaz (5) par l'utilisation de turbines successives (2), (2a), (3) disposées en série, dont la fonction est de compresser ; puis de détendre un gaz, ou mélange de gaz, à travers la turbine régénératrice (3). 2) - Dispositif de la première revendication dont les étages de compression (2) et (2a) ont pour fonction de compresser graduellement un gaz à travers une série de plusieurs étages. 3) - bispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé par la présence d'une unique pièce en rotation sur lequel est implanté un empilement d'étages de compression (2), (2a) terminé par un, ou plusieurs, étage de détente (3). 4) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les étages de compression sont constitués de turbines (2) et (2a) caractérisés par la faible augmentation de pression relative des gaz d'un étage à l'autre. 5) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, muni d'une, ou plusieurs turbine régénératrices (3) dont la fonction est de détendre les gaz comprimés (6) pour transmettre l'énergie mécanique sur l'arbre en rotation (1). 6) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dont le stator (8), possède des aubes redresseuses de flux (11), disposées sur le pourtour de la paroi du stator dans la zone de compression. 7) - Dispositif sel-on l'une quelconque des revendications précédentes dont l'axe central en rotation (1) est motorisé par une source externe (4), types moteurs électriques ou autres. 8) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes munit des deux bouches de connexion vers l'échangeur thermique (7), dont la première bouche se situe en sortie de zone de compression, la deuxième, en zone de détente. 9) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend les modes suivants : - dans un mode de chauffage, l'échangeur (7) diffuse de la chaleur, - dans un mode de refroidissement, ce sont les gaz détendus (10), froids, qui sont utilisés pour l'application.