INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
est un diagramme pression-volume du cycle thermodynamique d’une pompe à chaleur constituée d’un compresseur et d’un détendeur chacun formé du compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention.
est une vue tridimensionnelle d’ensemble vue de l’avant d’une pompe à chaleur constituée d’un compresseur et d’un détendeur chacun formé du compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention.
est une vue tridimensionnelle d’ensemble vue de l’arrière de la pompe à chaleur montrée en .
est une vue tridimensionnelle en coupe de la pompe à chaleur montrée en .
est une vue schématique de l’environnement et des accessoires d’une pompe à chaleur constituée d’un compresseur et d’un détendeur chacun formé du compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention.
En effet, si ces derniers tournent lentement, leur diagramme pression-volume thermodynamique effectif sera proche du diagramme théorique idéal car moins déformé par le transvasement des gaz, et le rendement pratique d’une pompe à chaleur intégrant lesdits compresseurs et détendeurs sera plus proche du rendement théorique maximal accessible selon le cycle idéal de Carnot.
Car en effet, les efforts d’inertie qui réduisent la performance des clapets et soupapes pilotées chargés de transvaser les gaz dans ou hors d’un compresseur ou d’un détendeur évoluent peu ou prou avec le carré de la vitesse de rotation dudit compresseur ou dudit détendeur.
Il en résulte un retard à l’ouverture et/ou à la fermeture desdits clapets et soupapes qui nuit à l’efficacité du cycle thermodynamique.
En conséquence de ce qui précède, une pompe à chaleur monophasique à rotation lente qui comprime et détend un gaz suivant le cycle de Carnot occupera à priori plus de volume que son équivalent conventionnel dont le fluide frigorigène passe successivement de l’état gazeux à l’état liquide et inversement, et dont le compresseur opère à vitesse élevée.
Le problème des compresseurs et détendeurs à rotation lente est qu’à même puissance, les pièces mécaniques qui les constituent sont soumises à des efforts plus élevés que celles qui constituent leur équivalent plus rapide, et que les fortes dimensions desdites pièces qui découlent desdits efforts génèrent des pertes énergétiques par frottement élevées.
Outre la grande dimension desdites pièces, l’inconvénient de la rotation lente desdits compresseurs ou détendeurs est qu’elle est défavorable à l’établissement d’un régime de lubrification hydrodynamique entre lesdites pièces, que ce soit par exemple à l’interface de frottement d’un piston dans un cylindre, ou au niveau des liaisons pivot entre ledit piston et une bielle, entre ladite bielle et la manivelle d’un vilebrequin, et entre ce dernier et un carter.
Il serait donc très avantageux de mettre en œuvre des pistons liquides couplés avec des moyens d’échange, de stockage, de restitution, d’import et d’export de chaleur, au moyen de machines lentes à très haut rendement mécanique qui laissent un temps suffisamment long d’une part, aux échanges thermiques pour en maximiser l’efficacité, et d’autre part, au transvasement des gaz pour en minimiser les pertes énergétiques.
Une telle configuration permettrait de produire des pompes à chaleur à haute performance énergétique, délivrant un rendement plus proche de celui du cycle idéal de Carnot que leur homologues conventionnelles qui opèrent un fluide frigorigène à changement d’état, et ne nécessitant par exemple que de l’air atmosphérique et de l’eau pour fonctionner.
Il serait par exemple possible d’obtenir de ladite configuration un coefficient de performance de l’ordre de sept, là où dans les mêmes conditions de mesure et dans le même environnement le coefficient de performance de la meilleure pompe à chaleur à fluide frigorigène du marché serait de l’ordre de cinq.
Mais, comme cela a été précédemment décrit, pour obtenir un tel écart de rendement, il faut réaliser une compression et une détente quasi isothermes en favorisant au maximum les échanges thermiques durant ladite compression et ladite détente, limiter au maximum les pertes par transvasement, les pertes par fuites de gaz internes ou externes, et limiter au maximum les pertes par frottement.
Par exemple, le coefficient de performance d’une pompe à chaleur monophasique à cycle de Carnot, vu sa nécessité de comprimer une plus grande quantité de gaz que son homologue à fluide frigorigène à changement d’état, est forcément très sensible au rendement énergétique de son dispositif de transmission mécanique, ledit rendement, s’il est insuffisant, ayant pour conséquence de conférer à ladite pompe à chaleur monophasique à cycle de Carnot un rendement moins élevé que celui de sa dite homologue.
En effet, comme une pompe à chaleur monophasique à cycle de Carnot doit comprimer une plus grande quantité de gaz que son homologue à fluide frigorigène à changement d’état, le coefficient de performance de ladite pompe à chaleur monophasique est très dépendant du rendement énergétique de son dispositif de transmission mécanique de compression et de détente du gaz.
Si ledit rendement est insuffisant, ladite pompe à chaleur monophasique aura un coefficient de performance moins élevé que celui de son homologue à fluide frigorigène.
Cette sensibilité au rendement mécanique de compression et de détente d’une pompe à chaleur monophasique à cycle de Carnot est d’autant plus grande quand on vise par exemple un coefficient de performance supérieur à cinq.
Par exemple, une pompe à chaleur monophasique à cycle de Carnot qui délivre dix kilowatts de puissance thermique avec un coefficient de performance de cinq, nécessite un apport d’énergie externe d’une puissance de deux kilowatts sous la forme de travail mécanique.
Si le rendement mécanique de ladite pompe à chaleur monophasique est médiocre et forme une perte mécanique de un kilowatt, le coefficient de performance de ladite pompe chute de cinq à trois virgule trois, et la facture énergétique du possesseur de ladite pompe augmente de cinquante pourcent.
En ce cas, ladite pompe à chaleur monophasique perd tout son intérêt ou presque par rapport à son équivalent conventionnel à fluide frigorigène à changement d’état.
C’est pourquoi le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention prévoit une configuration innovante à très haut rendement mécanique et volumétrique, couplée à des échanges et flux thermiques efficaces, de sorte à conférer, notamment aux pompes à chaleur monophasiques à cycle de Carnot qui en résultent, un coefficient de performance significativement plus élevé que celui de leur équivalent conventionnel à fluide frigorigène à changement d’état.
Ainsi, le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention est principalement prévu pour réaliser d’une part, des compresseurs et/ou des détendeurs à haut rendement énergétique utilisables dans tout domaine d’activité, et d’autre part, des pompes à chaleur à haut coefficient de performance.
Il résulte notamment du compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention une pompe à chaleur : Qui délivre un coefficient de performance plus élevé que celui des pompes à chaleur conventionnelles à fluide frigorigène à changement d’état, ladite pompe selon l’invention réduisant donc, toutes choses égales par ailleurs, l’énergie nécessaire à la production de chaleur ou de froid ; Dont le rendement thermodynamique est proche de celui du cycle idéal de Carnot qui ne peut être dépassé, au point que selon toute vraisemblance, le remplacement de ladite pompe à chaleur par un autre concept ne pourra guère être motivé par une amélioration supplémentaire du rendement ; Qui ne recourt à aucun fluide frigorigène nuisible à la santé ou à l’environnement, ladite pompe pouvant fonctionner par exemple avec de l’air atmosphérique ou de l’azote et échapper à toute contrainte règlementaire ou de sécurité relative à la manipulation, au stockage ou au recyclage de fluides frigorigènes ; Dont la plage de température de fonctionnement est très étendue du fait de la non-dépendance de ladite pompe à quelque fluide frigorigène que ce soit, ladite pompe pouvant fonctionner en mode chauffage ou climatisation dans n’importe quelle région du monde sans préjudice pour son rendement ; De conception simple, au point que ladite pompe peut être produite dans pratiquement tous les pays du monde dans des ateliers au niveau technique modeste, notamment en assemblant des composants à faible prix de revient, facilement réalisables, ou largement disponibles sur le marché ; Dont la configuration mécanique simple permet d’en assurer la maintenance sans grande compétence technique, et à moindre coût ; Qui permet à n’importe quel plombier-chauffagiste qualifié de réaliser de façon simple et accessible un réseau de chauffage et de climatisation qui s’intègre facilement aux bâtiments et à l’environnement desdits bâtiments, ceci sans nécessiter d’agrément ou de certification lié à la manipulation de gaz dangereux pour la santé et l’environnement ; Dont le mécanisme robuste, lui confère une durée de vie qui peut atteindre, sous réserve du remplacement de pièces mineures, plusieurs décennies voire plus d’un siècle sans détérioration ni du fonctionnement ni du rendement de ladite pompe, une telle durée de vie constituant un avantage supplémentaire de ladite pompe pour l’environnement en comparaison avec les pompes à chaleur conventionnelles à fluide frigorigène quand on analyse l’entièreté du cycle de vie desdites pompes, incluant la fabrication et le recyclage ; Qui est silencieuse et qui peut s’intégrer dans les bâtiments en produisant des nuisances sonores minimales ; Dont l’agencement permet d’exposer à moindre coût de larges surfaces d’échange de chaleur avec l’environnement, en recourant à des moto ventilateurs à faible régime de rotation, à basse consommation énergétique, et à faibles émissions acoustiques ; Dont la fabrication ne requiert ni matériau rare ou stratégique, ni savoir-faire et connaissances de haute technologie ;
Il est entendu que le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention s’adresse, outre aux pompes à chaleur, aux compresseurs, et aux détendeurs de gaz, à toute autre application voisine dans son concept et dans son principe qui pourrait avantageusement tirer parti des caractéristiques et fonctionnalités particulières dudit compresseur-détendeur selon l’invention.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend un axe de basculement qui est une rotule tubulaire qui termine le cylindre à liquide et dont l’intérieur forme en tout ou partie le conduit de communication, ladite rotule pouvant pivoter de façon étanche dans un logement femelle de rotule solidaire du réservoir à gaz et liquide.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend une rotule tubulaire qui reçoit en son centre un axe de rotule qui est parallèle à l’axe de basculement, ledit axe s’articulant autour d’une suspente de rotule qui est directement ou indirectement solidaire du réservoir à gaz et liquide.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend une suspente de rotule qui est reliée au réservoir à gaz et liquide par l’intermédiaire d’une liaison de suspente articulée autour de laquelle peut tourner ladite suspente.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend un cylindre à liquide et un réservoir à gaz et liquide qui forment un ensemble rigide qui pivote autour de l’axe de basculement.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend des moyens d’échange et d’accumulation de chaleur qui sont constitués d’un média poreux qui présente des porosités dans lesquelles entrent et desquelles sortent alternativement le liquide de travail et le gaz de travail.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend des moyens d’export ou d’apport de chaleur qui sont constitués d’une partie circulante du liquide de travail, ladite partie sortant du cylindre à liquide ou du réservoir à gaz et liquide via un conduit de sortie de liquide pour revenir dans ledit cylindre ou dans ledit réservoir via un conduit d'entrée de liquide, ceci après avoir cédé de la chaleur aux moyens de chauffage ou après avoir pris de la chaleur aux moyens de refroidissement.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend des moyens d’export ou d’apport de chaleur qui sont constitués d’au moins un conduit échangeur de chaleur logé dans le réservoir à gaz et liquide et dans lequel circule un fluide caloporteur qui transporte la chaleur prise ou cédée aux moyens d’échange et d’accumulation de chaleur et/ou au liquide de travail et/ou au gaz de travail jusqu’aux moyens de refroidissement ou aux moyens de chauffage via des conduits de transport de chaleur.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend des moyens d’échange et d’accumulation de chaleur qui sont constitués d’au moins une buse de pulvérisation de liquide alimentée par une pompe de pulvérisation de liquide, ladite buse pouvant atomiser du liquide de travail en fines gouttelettes dans le volume interne du réservoir à gaz et liquide.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend un axe de basculement qui est constitué d’une piste de roulement qui est solidaire du bâti statique et sur laquelle peut rouler une surface de roulement qui est directement ou indirectement solidaire du cylindre à liquide, une roue dentée de piste de roulement dont le cercle primitif coïncide avec la ligne de contact entre la piste de roulement et la surface de roulement étant solidaire du bâti statique et coopérant avec une roue dentée de surface de roulement qui est directement ou indirectement solidaire du cylindre à liquide.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend des moyens de guidage de piston qui sont constitués d’une liaison pivot glissant formée entre une surface cylindrique externe que présente la tige de liaison et une bague de glissement qui est solidairement reliée au cylindre à liquide par l’intermédiaire d’une structure porteuse de bague.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend des moyens de guidage de piston qui sont constitués d’une jupe de guidage aménagée en périphérie du piston hydraulique, ladite jupe pouvant translater à faible jeu dans ledit cylindre.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend des moyens de remplissage et/ou des moyens de vidange qui sont constitués d’au moins un clapet de compresseur et/ou d’au moins une soupape pilotée de compresseur cependant qu’en fonctionnement, le gaz de travail est expulsé du réservoir à gaz et liquide via le plenum de refoulement sous une pression supérieure à celle sous laquelle il a été préalablement introduit dans ledit réservoir via le plenum d’admission tandis que les moyens d’export ou d’apport de chaleur cèdent de la chaleur aux moyens de chauffage, de sorte que le volume variable pneumatique forme un compresseur.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend des moyens de remplissage et/ou des moyens de vidange qui sont constitués d’au moins une soupape pilotée de détendeur cependant qu’en fonctionnement, le gaz de travail est expulsé du réservoir à gaz et liquide via le plenum de refoulement sous une pression inférieure à celle sous laquelle il a été préalablement introduit dans ledit réservoir via le plenum d’admission tandis que les moyens d’export ou d’apport de chaleur prennent de la chaleur aux moyens de refroidissement, de sorte que le volume variable pneumatique forme un détendeur.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend un plenum de refoulement du compresseur qui est relié au plenum d’admission du détendeur par un conduit de gaz à haute pression de sorte que le gaz de travail refoulé via le plenum de refoulement dudit compresseur est introduit dans ledit détendeur via le plenum d’admission dudit détendeur, l’arbre à manivelle dudit compresseur étant directement ou indirectement relié à l’arbre à manivelle dudit détendeur, ledit compresseur et ledit détendeur coopérant pour former une pompe à chaleur.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend un conduit de gaz à haute pression qui est relié à au moins un réservoir de gaz à haute pression.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend un plenum d’admission du compresseur et un plenum de refoulement du détendeur qui communiquent par l’intermédiaire d’un réservoir de gaz à basse pression auquel ils sont respectivement reliés par un conduit de gaz à basse pression.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend un plenum d’admission et un plenum de refoulement qui sont positionnés dans la partie supérieure du réservoir à gaz et liquide ce dernier étant lui-même positionné au-dessus du cylindre à liquide de sorte que du fait de la gravité terrestre, le gaz de travail sorte toujours prioritairement du réservoir à gaz et liquide via le plenum de refoulement, et que le liquide de travail entre toujours prioritairement dans ledit réservoir via le plenum d’admission.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend un axe de basculement qui est constitué d’un axe cylindrique creux qui présente au moins une lumière radiale débouchante, ledit axe cylindrique étant positionné au-dessus du réservoir à gaz et liquide, tandis que le plenum d’admission et/ou le plenum de refoulement est relié à un collecteur annulaire de gaz qui entoure ledit axe cylindrique et qui englobe la lumière radiale débouchante de sorte que le gaz de travail peut circuler entre l’intérieur de l’axe cylindrique creux et le plenum d’admission et/ou le plenum de refoulement via la lumière radiale débouchante et le collecteur annulaire de gaz.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend des moyens de stockage d’énergie cinétique qui sont constitués d’un volant d’inertie à basse vitesse qui est solidaire en rotation, d’une part, de l’arbre à manivelle, et d’autre part, d’une couronne dentée que le moteur d’entrainement entraîne en rotation par l’intermédiaire d’au moins un pignon d’entraînement de couronne dont le diamètre primitif est plus petit que celui de ladite couronne cette dernière et ledit pignon formant un système d’engrenage à forte démultiplication, cependant qu’un volant d’inertie à haute vitesse est directement ou indirectement solidaire en rotation du pignon d’entraînement de couronne.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend une pompe de pulvérisation de liquide qui est constituée d’un cylindre de pompe qui est aménagé dans le cylindre à liquide et/ou dans le prolongement dudit cylindre, un piston de pompe mis en mouvement par le piston hydraulique et/ou par le cylindre à liquide pouvant translater dans ledit cylindre de pompe.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend un piston de pompe qui comporte un toucheau de début de course par l’intermédiaire duquel il est mis en mouvement, ledit piston étant rappelé sur une butée de fin de course par une masse de rappel de piston.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend un piston de pompe qui est mis en mouvement par l’intermédiaire d’un ressort de mise en mouvement.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend une pompe de débordement qui, à chaque tour d’arbre à manivelle, transfère une petite quantité de liquide de travail depuis un réservoir de débordement vers le réservoir à gaz et liquide et/ou le cylindre à liquide.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend un réservoir de débordement qui communique avec le plenum de refoulement, la pression de gaz de travail qui règne dans ledit réservoir étant proche ou identique à celle qui règne dans ledit plenum.
Le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide suivant l’invention comprend une pompe de débordement qui comprend un cylindre borgne de pompe dans lequel peut translater de façon étanche un piston de pompe de débordement, ce dernier et ledit cylindre formant un volume variable de pompe de débordement qui, lorsqu’il augmente, se remplit de liquide de travail en provenance du réservoir de débordement via au moins un clapet d’admission de pompe de débordement et qui, lorsqu’il diminue, refoule ledit liquide vers le réservoir à gaz et liquide et/ou le cylindre à liquide via une vanne de refoulement.
Selon un mode particulier de réalisation du compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide 1 suivant l’invention montré en , des moyens de contrebalancement 112 peuvent se substituer en tout ou partie aux moyens de guidage de piston 23 pour incliner le cylindre à liquide 8 durant la rotation de l’arbre à manivelle 24 de sorte à réduire voire à annuler les efforts radiaux exercés sur lesdits moyens de guidage 23 par l’inclinaison dudit cylindre 8 du fait de la masse de ce dernier, et de la gravité terrestre.
Selon cette configuration particulière, les moyens de contrebalancement 112 peuvent être constitués d’un mât de contrebalancement 113 qui, d’une part, comprend une masse de contrebalancement 116 et qui, d’autre part, est articulé autour d’un axe de mât 114 qui est parallèle à l’axe de basculement 9 du cylindre à liquide 8 et qui est solidaire du bâti statique 40, cependant que le mât de contrebalancement 113 forme avec ledit cylindre 8 une articulation pivotante-glissante 115 et constitue un balourd contraire à celui dudit cylindre 8, l’articulation pivotante-glissante 115 pouvant être constituée, comme montré en , d’un axe qui émerge de la surface externe du cylindre à liquide 8, ledit axe recevant un roulement qui peut se déplacer dans un évidemment oblong que présente le mât de contrebalancement 113.
On note que selon un mode particulier de réalisation du compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide 1 suivant l’invention, le mât de contrebalancement 113 peut recevoir une masse de contrebalancement 116 dont le poids et/ou la position peuvent être variables.
On remarque qu’en alternative à ce qui précède, les moyens de contrebalancement 112 peuvent être constitués d’un mécanisme d’entraînement et de synchronisation en rotation du cylindre à liquide 8 de quelque type que ce soit, ou de mécanismes à liaisons élastiques qui tendent eux-aussi à minorer voire à annuler les efforts radiaux exercés sur les moyens de guidage de piston 23 par l’inclinaison du cylindre 8 du fait de la masse de ce dernier, et de la gravité terrestre.
Le fonctionnement du compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide 1 selon l’invention se comprend aisément à la vue des figures 1 à 23.
L’objectif dudit compresseur-détendeur 1 est notamment de constituer un volume variable pneumatique 2 dans lequel les échanges de chaleur sont maximisés entre un gaz de travail 5, qui peut être de l’air atmosphérique, et un liquide de travail 13, qui peut être de l’eau, durant la compression ou la détente dudit gaz 5 et ceci, pour que ladite compression ou ladite détente soit la plus isotherme possible, le liquide de travail 13 qui a une capacité calorifique volumique élevée imposant majoritairement sa température au gaz de travail 5 dont la capacité calorifique volumique est faible.
Ainsi, lorsque si, comme le montrent les figures 1 à 4, les figures 10 à 12, et les figures 22 et 23, le compresseur-détendeur lent à piston mécano-liquide 1 suivant l’invention forme un compresseur 3, un gaz de travail 5 est comprimé dans le volume variable pneumatique 2.