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Corur de pompe à chaleur compact de type eau/eau,
et pompe à chaleur comportant un tel corur de pompe
L'invention concerne les pompes à chaleur de type eau/eau.
Ces équipements permettent de capter l'énergie thermique disponible
dans l'air, dans les couches supérieures de la terre ou encore dans de
l'eau libre, de concentrer cette énergie et de la restituer sous cette forme
concentrée (à température plus élevée) pour alimenter un circuit de chauf-
fage à eau chaude.
Par eau/eau on entendra un type de pompe à chaleur dans lequel le
circuit de captage de chaleur et le circuit de restitution de chaleur (chauf-
fage) sont tous deux des circuits où circule un liquide, par opposition aux
systèmes eau/air ou air/air , étant bien entendu qu'en fonction des
besoins l'eau peut être remplacée ou complétée par un autre liquide. En
particulier, dans le circuit de captage de chaleur l'eau est souvent addi-
tionnée d'éthylène-glycol ou autre additif faisant fonction d'antigel.
L'intérêt d'une pompe à chaleur réside dans le fait que l'énergie néces-
saire pour son alimentation est inférieure à l'énergie restituée dans le cir-
cuit de chauffage. On désigne par coefficient de performance (COP)
le ratio entre l'énergie restituée et l'énergie consommée par le système,
ratio qui peut atteindre typiquement une valeur de 5 avec les meilleurs
systèmes actuellement disponibles sur le marché.
Plus. précisément, une pompe à chaleur comporte un bloc compresseur et
deux échangeurs de chaleur reliés respectivement aux réseaux de cap-
tage et de restitution de chaleur. Les échangeurs de chaleur sont par ail-
leurs couplés au compresseur et au circuit frigorigène associé à ce der-
nier, comprenant un condenseur, un détendeur et un évaporateur. Le
compresseur concentre côté condenseur l'énergie captée et restitue côté
évaporateur l'énergie à restituer au circuit de chauffage.
La performance globale de la pompe à chaleur est d'autant meilleure que
l'échange thermique est complet et que l'ensemble des actions du com-
presseur et des échangeurs s'opèrent avec la meilleure isolation thermi-
que possible vis-à-vis de l'environnement extérieur.
Le compresseur, son circuit de fluide frigorigène associé ainsi que les
deux échangeurs de chaleur sont regroupés en un même bloc fonctionnel,
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ci-après désigné cceur de pompe à chaleur , qui constitue un ensemble
intégré destiné à être par ailleurs associé aux différents éléments des cir-
cuits de captage et de restitution de chaleur (tuyauterie, pompes de circu-
lation, capteur thermostatique, etc.) ainsi qu'aux équipements d'alimenta-
tion et de régulation du système.
Dans les coeurs de pompe à chaleur proposés jusqu'à présent, les diffé-
rents éléments sont reliés entre eux par des tubes assemblés selon les
techniques usuelles bien connues des chauffagistes et frigoristes.
Plus précisément, les liaisons entre compresseur et échangeurs, et entre
échangeurs et prises d'entrée/sortie des réseaux de captage et de restitu-
tion de chaleur, y sont réalisées au moyen de tubes en cuivre, assemblés
par brasage.
Toutefois, dans l'application aux pompes à chaleur, l'utilisation de tubes
en cuivre, et l'assemblage des tubes par brasage, n'est pas sans présen-
ter certains inconvénients.
En premier lieu, le cuivre se caractérise par une grande conductibilité ther-
mique, qui n'est pas recherchée dans cette application puisqu'elle est gé-
nératrice de pertes par échanges thermiques avec l'environnement.
En second lieu, les assemblages réalisés par brasage, s'ils garantissent
une bonne étanchéité, ne sont pas d'une résistance mécanique et à la
corrosion très élevée. En effet, comme on le sait, le brasage consiste à
assembler des métaux différents par apport d'un métal tiers (brasure à
l'argent, dans le cas d'un brasage fort) porté à une température supé-
rieure à son point de fusion. Du fait que les éléments du compresseur
sont généralement en acier noir et les échangeurs en acier noir ou acier
inoxydable, et que ces éléments sont reliés entre eux par des tubes en
cuivre, on va se trouver à l'endroit des liaisons brasées en présence de
solutions de continuité acier/cuivre ou acier inox/cuivre, avec en outre in-
terposition du métal d'apport.
Or ces liaisons sont sujettes en provenance du compresseur à des vibra-
tions qui conduiraient rapidement à des fuites ou même des détériorations
dans le cas d'un assemblage trop rigide.
Pour éviter cet écueil, les liaisons en cuivre sont généralement réalisées
de manière à procurer à l'ensemble une certaine souplesse, grâce à des
liaisons assez longues et/ou une géométrie particulière (lyres, serpentins,
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etc.) permettant de mieux disperser les contraintes résultant notamment
de la propagation des vibrations dans les canalisations en cuivre.
L'augmentation des longueurs de tubes a cependant pour effet d'augmen-
ter la surface d'échange avec l'atmosphère ambiante, donc les pertes, et
aussi d'augmenter inutilement le volume de gaz frigorigène du circuit du
compresseur.
La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients, en
proposant un corur de pompe à chaleur optimisé tant du point de vue du
rendement que de la compacité et de la fiabilité de fonctionnement.
Le coeur de pompe à chaleur de l'invention est un corur de pompe de type
eau/eau tel que décrit plus haut, c'est-à-dire comprenant, plus précisé-
ment et de manière en elle-même connue : un bloc compresseur, compre-
nant un circuit fermé chargé de fluide frigorigène avec compresseur, con-
denseur, détendeur et évaporateur ; une prise d'entrée et une prise de
sortie vers un réseau de captage de chaleur ; une prise d'entrée et une
prise de sortie vers un réseau de restitution de chaleur ; un premier é-
changeur de chaleur, couplé côté primaire à l'évaporateur du bloc com-
presseur et côté secondaire aux prises du réseau de captagé de chaleur ;
et un second échangeur de chaleur, couplé côté primaire au condenseur
du bloc compresseur et côté secondaire aux prises du réseau de restitu-
tion de chaleur.
De façon caractéristique de l'invention, les tubulures de liaison entre les
échangeurs de chaleur et le bloc compresseur, et/ou les tubulures de liai-
son entre les échangeurs de chaleur et les prises des réseaux de captage
et de restitution de chaleur sont des tubulures de liaison non brasées, for-
mées par des tubes en âcier inoxydable soudés.
En remplaçant les tubes en cuivre utilisés jusqu'à présent par des tubes
en acier, et en remplaçant les assemblages brasés par des assemblages
soudés, les diverses liaisons ainsi réalisées au sein du coeur de pompe à
chaleur ne présentent plus de solution de continuité, ce qui leur procure
une qualité de résistance mécanique - notamment aux vibrations - et une
qualité de résistance à la corrosion incomparablement supérieures à ce
qu'elles étaient avec des assemblages brasés.
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En effet, dans le cas d'un soudage, si celui-ci est bien réalisé, en termes
de tenue mécanique et d'étanchéité le résultat est équivalent à celui du
tube d'origine.
En particulier, les vibrations engendrées par le compresseur ne peuvent
pas entraîner de détérioration de ces assemblages, et la tenue mécani-
que, la géométrie et la souplesse des tubes et des échangeurs en acier
inoxydable peuvent être définies de façon à absorber sans rupture ces
vibrations par des liaisons courtes et de faible diamètre, à l'opposé des
liaisons en cuivre utilisées jusqu'à présent.
Cette réduction dimensionnelle permet d'abaisser d'autant les échanges
thermiques du fluide avec l'environnement, donc les pertes, ainsi que le
volume de fluide frigorigène nécessaire. De plus, outre la moindre surface
exposée, les échanges thermiques seront également réduits par le fait
que l'acier est bien moins bon conducteur de chaleur que le cuivre et
qu'aucune patte de fixation au châssis n'est plus nécessaire pour le main-
tien des échangeurs (suppression des ponts thermiques lorsque les é-
changeurs de chaleur sont essentiellement dépourvus de telles pattes).
Il est ainsi possible d'augmenter notablement le coefficient de performan-
ce de la pompe à chaleur, typiquement de 1 à 2 points, c'est-à-dire qu'il
devient possible d'atteindre des valeurs de COP de l'ordre de 6 à 7, per-
formances bien au-dessus des meilleurs systèmes proposés jusqu'à pré-
sent.
Le soudage est avantageusement réalisé par soudage TIG orbital, qui est
une technique parfaitement maîtrisée pouvant être mise en oeuvre de fa-
çon automatique, donc avec un contrôle précis des différents paramètres
et une excellente reproductibilité, conduisant ici encore à un accroisse-
ment de la fiabilité d'ensemble de l'appareil. De plus, le soudage automa-
tique TIG orbital permet de limiter au minimum l'élévation de température
du corps de compresseur, évitant ainsi toute fragilisation de celui-ci.
De préférence, les échangeurs de chaleur sont des échangeurs tubulaires
en acier inoxydable.
Ce type d'échangeur, qui convient parfaitement à une pompe à chaleur
selon l'invention où les différentes liaisons sont des liaisons soudées, peut
remplacer avantageusement les échangeurs à plaques assemblés par
brasage jusqu'à présent généralement utilisés dans le domaine des pom-
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pes à chaleur. Même s'ils assurent un bon échange thermique, les échan-
geurs à plaques sont en effet fragiles et ne supportent pas longtemps une
eau chargée en sels minéraux, qui peut provoquer un bouchage par ac-
cumulation de dépôts ou d'impuretés solides. Enfin, leur tenue en pré-
5 sence de vibrations continues reste limitée.
Du fait de l'accroissement considérable de fiabilité, il devient inutile de mé-
nager une possibilité d'accès aux différents éléments internes du coeur de
pompe après fabrication. Ces différents éléments (bloc compresseur, é-
changeurs de chaleur, tubulures de liaison entre échangeurs et bloc com-
presseur, et tubulures de liaison entre échangeurs et prises des réseaux
de captage et de restitution de chaleur) peuvent donc être confinés dans
une enceinte formant un unique bloc fonctionnel étanche et isotherme.
Cette enceinte étanche de confinement peut en particulier comprendre
une base support, supportant le bloc compresseur et les échangeurs de
chaleur, et un capot rapporté sur cette base support, la base support et le
capot étant solidarisés entre eux de manière permanente, par exemple
par soudage s'ils sont en métal. Il est entendu que cette "base support"
peut constituer tout ou partie de l'une quelconque ou de certaines de fa-
ces de l'ensemble, et pas seulement sa partie inférieure.
L'espace libre résiduel de l'enceinte de confinement peut être rempli d'un
matériau isolant, la base support comportant alors un orifice occultable
d'introduction de ce matériau isolant.
L'atmosphère interne de l'enceinte de confinement peut être sous vide, ou
remplie d'un gaz sec isolant, la base support comportant alors un orifice
occultable, en communication avec ladite atmosphère, pour l'application
du vide ou l'introduction du gaz.
De préférence, les prises du réseau de captage de chaleur, les prises du
réseau de restitution de chaleur, et le(s)dit(s) orifice(s) occultable(s) sont
regroupés sur la base support.
L'invention couvre également, en tant que telle, une pompe à chaleur
comprenant, en combinaison, un coeur de pompe tel que ci-dessus asso-
cié à des organes de couplage, comprenant au moins un circulateur, à un
circuit de captage de chaleur et à un circuit de restitution de chaleur, ainsi
que des organes de régulation thermique, et des organes d'alimentation
électrique de l'ensemble.
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On va maintenant décrire un exemple de pompe à chaleur réalisée selon
les enseignements de l'invention, en référence à la figure unique annexée
qui est une vue schématique, en perspective cavalière, des différents élé-
ments constituant ce coeur de pompe.
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Sur la figure, la référence 10 désigne le bloc compresseur, qui est un en-
semble avec un circuit fermé, chargé en fluide frigorigène, comprenant un
compresseur 11, un évaporateur 12, un condenseur 13 et un détendeur
14. Le moteur du compresseur est par exemple un moteur électrique ali-
menté de l'extérieur par le secteur.
Un premier échangeur de chaleur 20 est couplé côté primaire à l'évapora-
teur 12 du bloc compresseur 10 via deux liaisons 21 et 22. Côté secon-
daire, il est relié à des prises 23, 24 d'entrée et de sortie de fluide desti-
nées à être reliées à un réseau de captage de chaleur; les liaisons aux
prises 23, 24 sont réalisées par des tubulures 25, 26.
Un second échangeur de chaleur 30 est couplé côté primaire au conden-
seur 13 du bloc compresseur 10 via deux liaisons 31 et 32. Côté secon-
daire, il est relié à des prises 33, 34 d'entrée et de sortie de fluide desti-
nées à être reliées à un réseau de restitution de chaleur (réseau de chauf-
fage) ; les liaisons aux prises 33, 34 sont réalisées par des tubulures 35,
36.
Les échangeurs 20 et 30 sont de préférence des échangeurs tubulaires
torsadés en acier inoxydable soudé, dont la taille est adaptée à la puis-
sance du compresseur pour garantir un échange optimum tant vers le cir-
cuit de chauffage que depuis le circuit de captage de chaleur.
De façon caractéristique de l'invention, les liaisons 21, 22, 31, 32 entre le
compresseur 10 et les échangeurs de chaleur 20 et 30, ainsi que les liai-
sons 25, 26, 35, 36 entre les échangeurs 20 et 30 et les prises 23, 24, 33,
34 d'entrée et de sortie des réseaux de captage et de restitution de cha-
leur, sont assurées au moyen de tubes en acier inoxydable soudés. Le
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diamètre de ces tubes est optimisé pour assurer cette liaison sans créer
d'entrave pour le fluide (fluide frigorigène, ou fluide circulant dans les ré-
seaux), avec une longueur et une géométrie étudiées pour réaliser cette
liaison par le plus court chemin possible. De plus, grâce à l'excellente so-
lidité mécanique des liaisons soudées, les échangeurs peuvent être sim-
plement suspendus par les tubes 21, 22, 25, 26 (ou 31, 32, 35, 36, res-
pectivement), qui les retiennent en place sans qu'il soit nécessaire de pré-
voir pour les soutenir des pattes de fixation au châssis ou moyens analo-
gues, générateurs de ponts thermiques.
Un tube de petit diamètre 16, qui peut également être réalisé en acier
inoxydable en forme de spire ou de multispire, assure un accès étanche
pour le chargement du compresseur en fluide frigorigène et le contrôle de
cette charge. A l'extérieur de l'enceinte, ce tube en acier inoxydable pour-
ra être prolongé d'un tube en cuivre permettant la jonction à la réserve de
gaz frigorigène par des méthodes habituellement utilisées par les frigoris-
tes.
Les différents éléments du coeur de pompe à chaleur que l'on vient de dé-
crire sont regroupés à l'intérieur d'un boîtier 40 constitué d'une base sup-
port 41 et d'un capot 42. Avantageusement, toutes les entrées et sorties
utiles et tous les accès aux éléments du coeur de pompe sont regroupés
au niveau de la base support 41, notamment les prises 23, 24, 33, 34 aux
réseaux de captage et de restitution de chaleur. On y trouve également la
traversée 43 pour l'alimentation électrique du compresseur 11, ainsi qu'un
orifice occultable 44 permettant la communication avec le volume intérieur
de l'enceinte une fois le capot 42 fermé, et une traversée 45 pour la con-
duite 16 de charge du fluide frigorigène. Sur la figure 1 la base support
occupe toute la partie inférieure de l'ensemble. Mais elle peut aussi bien
occuper tout ou partie de l'une quelconque ou de certaines faces de l'en-
semble, suivant le besoin dans la réalisation de la pompe à chaleur.
Le capot 42 peut donc être aisément rendu étanche, formé d'une seule
pièce, par exemple métallique, sans aucune traversée. Il peut être fixé de
façon étanche à la base support 41 pour constituer une enveloppe isolant
complètement le coeur de pompe à chaleur de son environnement. Lors-
que le capot et la base support sont tous deux réalisés en métal, cette
fixation étanche peut même être avantageusement réalisée par soudage
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des deux éléments de manière à constituer un bloc fonctionnel unique,
non démontable. D'autres solutions de solidarisation permanente peuvent
être envisagées, par exemple un collage, lorsque capot et/ou base sup-
port ne sont pas réalisés en un matériau métallique apte au soudage.
Avantageusement, après fermeture de l'enveloppe, on introduit par l'orifi-
ce 44 une matière isolante venant remplir complètement le volume inté-
rieur du coeur de pompe, par exemple une matière pulvérulente ou une
mousse expansible, qui va minimiser les échanges thermiques non sou-
haitables et accroître d'autant les performances du système. En outre, ce
garnissage réduit la transmission des vibrations mécaniques et acousti-
ques produites par le compresseur vers l'extérieur.
Après remplissage, l'enceinte étanche peut enfin être tirée au vide ou
remplie d'un gaz sec procurant des caractéristiques d'isolement thermique
meilleures que l'air, par exemple l'argon ou l'hexafluorure de soufre.
Enfin, pour le cas où la base support est constituée de la face inférieure et
dans la mesure où les tubes 26 et 36 conduisant aux points hauts respec-
tifs des circuits de captage de chaleur et de chauffage ne sont pas cou-
dés, il est possible d'y glisser des systèmes de purge comprenant un pur-
geur automatique 46 relié à une conduite 48 se terminant en partie basse,
hors du bloc 40, par un évent 50 monté sur un manchon 52 emboîté à
l'embouchure de la conduite homologue 26 ou 36. Ces systèmes de
purge, mis en place depuis l'extérieur (comme on peut le voir sur la vue
éclatée de la figure), peuvent être aisément remplacés plus tard, si né-
cessaire.
