WO2024100350A1 - Cuve d'eau chaude sanitaire a accumulation avec element chauffant immerge - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the general field of domestic hot water storage tanks, and more specifically a domestic hot water storage tank comprising an inlet tap for bringing water into the tank, a outlet tap to bring out hot water contained in the tank and a heating element intended to be immersed in the water of the tank in order to heat the water present in the lower part of the tank in the installed position.
- Such tanks are used for example in electric water heaters.
- FIG 1 schematically illustrates a known tank 1 for an electric water heater, particularly suitable for a so-called “sink” installation.
- the tank 1 generally made of steel with an enameled internal wall, has an inlet tap 2 to bring cold water under pressure into the tank 1, and an outlet tap 3 to let out the heated water contained therein. in the tank 1.
- the cold water enters the interior of the tank 1 through an inlet rod 4 carried by the inlet tap 2 and extending in the axis of this inlet tap 2.
- the water contained in the tank 1 is heated by an electric heating element 5.
- the heating temperature is regulated via one or more thermostats housed in a thermowell 6 extending through an opening made in the tank 1, to heat the water according to a set temperature (for example between 60 and 65° C to make it possible to obtain an actual outlet temperature of approximately 40° C if the outlet water is mixed via a mixer with cold water).
- a set temperature for example between 60 and 65° C to make it possible to obtain an actual outlet temperature of approximately 40° C if the outlet water is mixed via a mixer with cold water.
- the heated water can leave tank 1 through an outlet pipe. 7 carried by the outlet tap 3 and extending axially to the outlet tap 3.
- An electric water heater operates most of the time with storage, that is to say it does not heat the water continuously, but accumulates a quantity of hot water for daily needs and operates according to the principle of stratification.
- cold water under pressure enters the interior of the tank as it empties to meet domestic hot water needs.
- the cold water entering is heated by the heating element or any alternative energy supply and gradually rises to the top of the tank. Indeed, like air, hot water has a lower density than cold water. It is therefore lighter and naturally gains height.
- cold water, naturally denser remains at the bottom of the tank. It is this physical principle which is the origin of the name stratification.
- the entry rod 4 extends only in the lower internal part of the tank 1, and has a stamped upper part to avoid any vertical entry d cold water, and an intermediate portion provided with side orifices guaranteeing substantially horizontal penetration of cold water into the tank.
- Such an intermediate portion is commonly called a “jet breaker” because it will “break” the pressure of the water injected into the bottom of the tank and thus preserve the natural distribution of the layers of water according to their temperature.
- the outlet pipe 4 is much longer in order to take the heated water from the upper internal part of the tank 1.
- anode 8 for protecting the tank 1 against corrosion which extends longitudinally inside the tank 1.
- the protective anode forms cathodic protection which can be sacrificial, for example made of alloy magnesium or aluminum alloy.
- the protective anode may be permanent. In the latter case, an imposed electric current passes through the protective anode.
- the protective anode can be of the type combined with an impressed current anode around which a sacrificial anode is arranged.
- the electric heating element 5, the thermowell 6 containing the thermostat(s) and the protective anode 8 extend into the tank 1 through a corresponding opening passing through the external wall of the tank 1, and are carried by the same flange 9, itself removably fixed to the tank 1, on the periphery of the opening. More precisely, the protective anode 8 extends close to and parallel to the thermowell 6 and to a portion of the heating element 5, and substantially horizontally when the tank is installed.
- the heating element is constituted by a shielded electrical resistance 5 immersed in the water of tank 1.
- this type of resistance has a high surface power density (expressed in Watts per square meter), which results in a high temperature of the resistance wall which is in contact with the water.
- the shielded electrical resistance is sensitive in particular to the quality of the water and its lifespan is short.
- the shielded electrical resistance 5 it is necessary, as visible in Figures 1 and 2, to give the shielded electrical resistance 5 a relatively complex bent L shape, the number of which of elbows depends on the desired heating power.
- This bent L shape makes it complex to install the heating element carried by the flange 9 inside the tank, especially in the case of a compact tank.
- the tank 1 is generally produced by assembling two bases 1a, 1b and possibly an intermediate shell 1c whose dimension varies depending on the tank capacity that one wishes to obtain. Consequently, the more compact the tank is (for example for a capacity of 5 liters), the more difficult it is to install the shielded resistance inside the tank.
- the flange 9 also carries the protection anode against the corrosion, as illustrated in Figures 1 and 2, the installation of the elbow shielded resistance is impossible if this anode is too long.
- solutions consist of heating the water from outside the tank.
- solutions are known consisting of covering the tank with a heating blanket comprising, inside a flexible envelope, a mesh of resistive electrical wires. Given the very low surface power density of electrical wires, these solutions do not make it possible to provide significant heating powers and therefore heating speeds, required in certain markets. They are also very expensive.
- Other solutions consist of using the principle of induction heating via heating coils which directly heat the tank. The latter must be made of ferritic steel. In addition to the high cost, electric fields can have an uncontrolled impact on the lifespan of the enameled tank.
- all solutions aimed at heating the water from outside the tank are less effective than solutions with a submerged heating element.
- the present invention aims to overcome the disadvantages of known solutions.
- a storage domestic hot water tank comprising an inlet tap to bring water into the tank, an outlet tap to let out hot water contained in the tank and a heating element intended to be immersed in the water of the tank in order to heat the water present in the lower part of the tank in the installed position, characterized in that said heating element comprises at least one electrically insulated resistive flexible wire, the ends of which emerge from the tank for connection to an external electrical power supply, and of which at least a portion of length located between the ends is intended to rest by gravitation at the bottom of the tank in said installed position, forming a random cluster.
- said heating element consists of at least one electrically insulated resistive flexible wire.
- “constituted” is meant the fact that said heating element only comprises said at least one electrically insulated resistive flexible wire.
- said at least one electrically insulated resistive flexible wire is not arranged within a sheath or a tube. An external wall of said at least one electrically insulated resistive flexible wire is thus intended to be in contact with the water present in the tank.
- the heating element comprises a plurality of flexible resistive wires, the ends of which emerge from the tank for connection to an external electrical power supply, each wire being electrically insulated and having at least one portion of length between its ends intended to rest by gravitation at the bottom of the tank in said installed position, forming with the other wires said random cluster.
- Said at least one wire preferably comprises a metallic core, and an electrical insulation sheath, surrounding said core.
- the tank further comprises an anode for protecting the tank against corrosion, said anode extending longitudinally inside the tank.
- the tank further comprises an element removably fixed to the tank to sealingly seal an opening passing through the wall of the tank, the ends of said at least one wire or of said plurality of wires coming out of the tank at the opening and said element.
- the protective anode is preferably carried by said element.
- inlet connection are located in the lower part of the tank in the installed position.
- inlet connection and the outlet connection are located in the upper part of the tank in the installed position.
- the element is located in the lower part of the tank in the installed position.
- the element can then be used as a drain plug.
- the element is located in the upper part of the tank in the installed position. [00025] In one possible embodiment, the element is a flange located on a side wall of the tank in the installed position.
- FIG. 1 Figure 1, already written above, schematically illustrates part of a known tank for electric water heater, particularly adapted to a so-called “over sink” configuration;
- FIG. 2 Figure 2, already written above, schematically illustrates part of another known tank for water heater, particularly adapted to a so-called “under sink” configuration;
- FIG. 3 illustrates a modification made to the water heater tank of Figure 1, in accordance with a first embodiment of the present invention
- FIG. 4 illustrates a modification made to the water heater tank of Figure 2, in accordance with another embodiment of the present invention.
- Figure 3 illustrates a first embodiment of a tank according to the invention for an electric water heater, particularly suitable for a so-called “over-sink” configuration.
- a tank 1, preferably made of steel, and preferably enameled on its wall internal ;
- the inlet and outlet connections are for example also made of steel.
- the entry point 2 and the exit point 3 are located in the lower part of the tank when the latter is in the installed position, and oriented so that the entry rod 4 and the outlet rod 7 extends substantially parallel to the interior of the tank 1.
- the tank 1 further comprises a heating element intended to be immersed in the water of the tank 1 in order to heat the water present in the lower part of the tank 1 in the installed position.
- this heating element consists, in the example shown, of two flexible resistive wires, each electrically insulated, and whose ends 10a, 10b on the one hand, and 11a, 11b on the other hand , come out of tank 1 for connection to an external power supply (not shown).
- the tank 1 is also shown in the installed position, a position in which it can be seen that the length portion located between the ends 10a, 10b or 11a, 11b rests by gravitation at the bottom of the tank 1, forming a random cluster 12.
- Each flexible resistive wire mainly and preferably comprises a core made of a metal wire resistant to the passage of current, and an electrical insulation sheath, for example made of silicone, surrounding the core.
- the material of the sheath is preferably chosen to meet the requirements of existing health and potability standards relating to electrically insulating materials authorized for food contact.
- the heating element can consist of a single flexible resistive wire, a portion of its length is intended to rest by gravitation at the bottom of the tank when the latter is in installed position.
- Figure 5 gives comparative tests obtained with a wire (in accordance with the invention), with a conventional copper shielded resistance of power equal to 350 Watts, with a conventional copper shielded resistance of power equal to 2500 Watts, with a known soapstone resistance of power equal to 2400 Watts.
- the wire used has a diameter of 3 millimeters and a linear power of 57 W/m, which makes it possible to obtain a power density of 8064 W/L.
- the choice of wire is made according to normative constraints, design constraints and/or cost. As a non-limiting example, we will preferably choose a wire whose external diameter (sheath included) is between 2 and 7 millimeters.
- the necessary length of the wire forming the cluster will depend directly on the desired power (for example typically between 200 and 3500 Watts in the non-limiting case of domestic water heaters).
- the power density is calculated by dividing the power of the wire (in W) by the volume occupied.
- the occupied volume can be modeled in 3D, or calculated experimentally. For a wire of length L and diameter D, the occupied volume V is given by the following equation:
- the wire is preferably chosen so that the volume occupied is as small as possible.
- the tank 1 comprises a plug 13 removably fixed to the tank 1 to sealingly seal an opening passing through the wall of the tank 1.
- the plug 13 can advantageously serve as a drain plug.
- the plug 13 carries a thimble comprising a or thermostats allowing temperature measurement for temperature regulation purposes by a regulation circuit external to the tank.
- the tank 1 further preferably comprises an anode for protecting the tank 1 against corrosion (not shown), for example a sacrificial anode made of magnesium alloy or aluminum alloy, arranged so as to extend longitudinally inside the tank 1.
- anode for protecting the tank 1 against corrosion for example a sacrificial anode made of magnesium alloy or aluminum alloy, arranged so as to extend longitudinally inside the tank 1.
- the corrosion protection anode can be carried by the plug 13.
- the protection anode is carried in the extension axial of the entry rod 4.
- the inlet tap 2, the outlet tap 3 and the plug 13 through which the ends of the flexible wire(s) emerge are located in the lower part of the tank 1 in installed position.
- the ends of the flexible wire(s) can emerge at an element other than the plug 13, for example a flange, removably fixed to the tank 1, on the periphery of a opening passing through the wall of the tank 1.
- the flange can be similar to the flange 9 of Figure 1, fixed laterally on the tank and carrying the ends of the flexible wire(s) (instead of the shielded resistor 5 of Figure 1), or even a thermowell containing one or thermostats and/or a protective anode.
- Figure 4 illustrates another embodiment of a tank according to the invention for a water heater, particularly suitable for a so-called “under sink” configuration.
- the inlet connection 2 and the outlet connection 3 of the tank are here located in the upper part of the tank 1 when the tank is in the installed position.
- the entry rod 4 always has a part 41 forming a jet breaker with side openings.
- the inlet rod 4 is much longer so that this part 41 forming a jet breaker is found in the lower part of the interior of the tank 1.
- the heating element consists, in the example shown in Figure 4, of two flexible resistive wires, each electrically insulated, and of which the ends 10a, 10b on the one hand, and 11a, 11b on the other hand, emerge from the tank 1 for connection to an external electrical power supply (not shown).
- the tank 1 is also shown in the installed position, a position in which it can be seen that the length portion located between the ends 10a, 10b or 11a, 11b rests by gravitation at the bottom of the tank 1, forming a random cluster 12 .
- the heating element can consist of a single flexible resistive wire, a portion of its length is intended to rest by gravitation at the bottom of the tank when the latter is in the installed position.
- the tank 1 comprises a plug 13 removably fixed to the tank 1 to sealingly seal an opening passing through the wall of the tank 1.
- the ends 10a, 10b d on the one hand, and 11a, 11b on the other hand, for the two flexible wires exit from the tank 1 at the level of the opening and the plug 13.
- the plug 13 carries a thermowell comprising one or more thermostats allowing temperature measurement for the purposes of temperature regulation by a regulation circuit external to the tank.
- the tank 1 further preferably comprises an anode for protecting the tank 1 against corrosion (not shown), for example a sacrificial anode made of magnesium alloy or aluminum alloy, arranged so as to extend longitudinally inside the tank 1.
- anode for protecting the tank 1 against corrosion for example a sacrificial anode made of magnesium alloy or aluminum alloy, arranged so as to extend longitudinally inside the tank 1.
- the corrosion protection anode can be carried by the plug 13.
- the protection anode is carried in the extension axial of the output rod.
- the inlet tap 2, the outlet tap 3 and the drain plug 13 through which the ends of the flexible wire(s) emerge are located in the upper part of the tank 1 in installed position.
- the ends of the flexible wire(s) can come out at an element other than the plug 13, for example a flange, fixed so removable to the tank 1, on the periphery of an opening passing through the wall of the tank 1.
- the flange can be similar to the flange 9 of Figure 2, fixed laterally on the tank and carrying the ends of the flexible wire(s) ( instead of the shielded resistor 5 in Figure 1), or even a thermowell containing one or more thermostats and/or a protective anode.
- the wire(s) constituting the heating element are submerged, which constitutes, as we saw in the introduction, a more effective solution than heating from the outside of the tank.
- the wire(s) constituting the heating element having a low surface power density they are less sensitive to the quality of the water. This increases the lifespan of the heating element compared to those of known submerged heating element solutions.
- the power volume density offered by the random pile of wires is much greater than the power volume density of a sheath containing a soapstone resistor. This results in a gain in space requirements.
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Abstract
L'invention concerne une cuve (1) d'eau chaude sanitaire à accumulation comprenant un piquage d'entrée (2) pour faire entrer de l'eau dans la cuve (1), un piquage de sortie (3) pour faire sortir de l'eau chaude contenue dans la cuve (1) et un élément chauffant destiné à être immergé dans l'eau de la cuve (1) afin de chauffer l'eau présente en partie basse de la cuve (1) en position installée. Selon l'invention, l'élément chauffant comprend au moins un fil souple résistif isolé électriquement, dont les extrémités (10a, 10b) sortent de la cuve (1) pour connexion à une alimentation électrique externe, et dont au moins une portion de longueur située entre les extrémités (10a, 10b) est destinée à reposer par gravitation au fond de la cuve (1) dans ladite position installée, en formant un amas (12) aléatoire.
Description
Description
Titre de l'invention : Cuve d’eau chaude sanitaire à accumulation avec élément chauffant immergé
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne le domaine général des cuves d’eau chaude sanitaire à accumulation, et plus précisément une cuve d’eau chaude sanitaire à accumulation comprenant un piquage d’entrée pour faire entrer de l’eau dans la cuve, un piquage de sortie pour faire sortir de l’eau chaude contenue dans la cuve et un élément chauffant destiné à être immergé dans l’eau de la cuve afin de chauffer l’eau présente en partie basse de la cuve en position installée.
Arrière-plan technologique
[0002] De telles cuves sont utilisées par exemple dans les chauffe-eaux électriques.
[0003] La figure 1 illustre schématiquement une cuve 1 connue pour chauffe-eau électrique, particulièrement adaptée pour une installation dite « sur évier ». La cuve 1 , généralement en acier avec une paroi interne émaillée, comporte un piquage d’entrée 2 pour faire entrer de l’eau froide sous pression dans la cuve 1 , et un piquage de sortie 3 pour faire sortir de l’eau chauffée contenue dans la cuve 1. Dans une telle configuration, l’eau froide pénètre à l’intérieur de la cuve 1 au travers d’une canne d’entrée 4 portée par le piquage d’entrée 2 et s’étendant dans l’axe de ce piquage d’entrée 2. L’eau contenue dans la cuve 1 est chauffée par un élément électrique chauffant 5. La température de chauffage est régulée par l’intermédiaire d’un ou plusieurs thermostats logés dans un doigt de gant 6 s’étendant au travers d’une ouverture pratiquée dans la cuve 1 , pour réchauffer l’eau en fonction d’une température de consigne (par exemple entre 60 et 65° C pour permettre d’obtenir une température réelle de sortie d’environ 40° C si l’eau de sortie est mélangée via un mitigeur à de l’eau froide). A la demande d’un utilisateur au niveau d’un point de puisage (robinet de lavabo ou d’évier, douche, baignoire...), l’eau chauffée peut sortir de la cuve 1 au travers d’une canne de sortie 7 portée par le piquage de sortie 3 et s’étendant axialement au piquage de sortie 3.
[0004] Un chauffe-eau électrique fonctionne la plupart du temps à accumulation, c’est-à-dire qu’il ne chauffe pas l’eau en continu, mais accumule une quantité d’eau chaude pour les besoins journaliers et fonctionne selon le principe de la stratification. Plus précisément, l’eau froide sous pression pénètre à l’intérieur de la cuve à mesure que celle-ci se vide pour répondre aux besoins en eau chaude sanitaire. L’eau froide qui entre est chauffée par l’élément chauffant ou tout apport alternatif d’énergie et remonte progressivement vers le haut de la cuve. En effet, à l’instar de l’air, l’eau chaude a une densité plus faible que l’eau froide. Elle est donc plus légère et prend naturellement de la hauteur. En revanche, l’eau froide, naturellement plus dense, reste au fond de la cuve. C’est ce principe physique qui est à l’origine du nom de stratification.
[0005] Dans le cas de la configuration « sur évier » de la figure 1 , la canne d’entrée 4 s’étend uniquement dans la partie interne basse de la cuve 1 , et présente une partie supérieure emboutie pour éviter toute entrée verticale d’eau froide, et une portion intermédiaire munie d’orifices latéraux garantissant une pénétration sensiblement horizontale de l’eau froide dans la cuve. Une telle portion intermédiaire est appelée communément « brise-jet » car elle va « casser » la pression de l’eau injectée dans le bas de la cuve et préserver ainsi la répartition naturelle des couches d’eau en fonction de leur température. A l’inverse, la canne de sortie 4 est beaucoup plus longue de manière à prélever l’eau chauffée dans la partie interne haute de la cuve 1.
[0006] Pour une configuration dite « sous-évier », illustrée schématiquement sur la figure 2, on retrouve les mêmes composantes que celles détaillées ci-dessus. Néanmoins, compte-tenu de la position des piquages d’entrée 2 et de sortie 3 en partie haute de la cuve 1 , et pour respecter le phénomène de stratification de l’eau, la canne d’entrée 4 est ici beaucoup plus longue de manière à ce que sa partie intermédiaire portant les orifices latéraux et son extrémité emboutie soient placées dans la partie basse de la cuve 1. La canne de sortie est en revanche très courte de manière à prélever l’eau chaude située dans la partie haute de la cuve 1.
[0007] Dans les deux configurations ci-dessus, il est connu d’équiper en outre la cuve 1 d’une anode 8 de protection de la cuve 1 contre la corrosion qui s’étend longitudinalement à l’intérieur de la cuve 1. L’anode de protection forme une protection cathodique peut être sacrificielle, par exemple en alliage de
magnésium ou en alliage d’aluminium. En variante, l’anode de protection peut être permanente. Dans ce dernier cas, un courant électrique imposé parcourt l’anode de protection. De manière alternative, l’anode de protection peut être du type combiné avec une anode à courant imposé autour de laquelle une anode sacrificielle est disposée.
[0008] Dans les modes de réalisation illustrés sur les figures 1 et 2, l’élément électrique chauffant 5, le doigt de gant 6 renfermant le ou les thermostats et l’anode 8 de protection s’étendent dans la cuve 1 au travers d’une ouverture correspondante traversant la paroi externe de la cuve 1 , et sont portés par une même bride 9, elle-même fixée de manière amovible à la cuve 1 , sur la périphérie de l’ouverture. Plus précisément, l’anode 8 de protection s’étend à proximité et parallèlement au doigt de gant 6 et à une portion de l’élément chauffant 5, et sensiblement horizontalement lorsque la cuve est installée.
[0009] Dans les deux configurations ci-dessus, l’élément chauffant est constitué par une résistance électrique blindée 5 immergée dans l’eau de la cuve 1.
[00010] L’utilisation d’une résistance électrique blindée présente un certain nombre d’inconvénients :
[00011] Tout d’abord, ce type de résistance a une densité surfacique de puissance (exprimée en Watts par mètre carré) élevée, ce qui se traduit par une température élevée de la paroi de résistance qui est en contact avec l’eau. La résistance électrique blindée est sensible notamment à la qualité de l’eau et sa durée de vie est faible. En outre, comme on recherche à chauffer principalement l’eau contenue en bas de cuve, il est nécessaire, comme visible sur les figures 1 et 2, de donner à la résistance électrique blindée 5 une forme en L coudée relativement complexe, dont le nombre de coudes dépend de la puissance de chauffage souhaitée. Cette forme en L coudée rend complexe la mise en place de l’élément chauffant porté par la bride 9 à l’intérieur de la cuve, surtout dans le cas d’une cuve compacte. En effet, la cuve 1 est généralement réalisée par assemblage de deux fonds 1a, 1 b et éventuellement d’une virole intermédiaire 1 c dont la dimension varie selon la capacité de cuve que l’on souhaite obtenir. En conséquence, plus la cuve est compacte (par exemple pour une capacité de 5 litres), plus la mise en place de la résistance blindée à l’intérieur de la cuve est difficile. Lorsque la bride 9 porte en outre l’anode de protection contre la
corrosion, comme illustrée sur les figures 1 et 2, la mise en place de la résistance blindée coudée est impossible si cette anode est trop longue.
[00012] Pour augmenter la durée de vie de l’élément chauffant, il a déjà été proposé de remplacer la résistance électrique chauffante blindée par une résistance stéatite placée à l’intérieur d’un fourreau étanche en acier émaillé, le tout étant immergé dans l’eau, et par exemple porté par la bride 9. Ce type d’élément chauffant est cependant très coûteux et encombrant, ce qui ne permet pas son utilisation dans le cas d’une cuve compacte.
[00013] D’autres solutions consistent à chauffer l’eau par l’extérieur de la cuve. On connaît en particulier des solutions consistant à recouvrir la cuve d’une couverture chauffante comprenant, à l’intérieur d’une enveloppe souple, un maillage de fils électriques résistifs. Compte-tenu de la très faible densité surfacique de puissance des fils électriques, ces solutions ne permettent pas d'apporter d'importantes puissances de chauffe et donc de vitesses de chauffe, requises sur certains marchés. Elles sont en outre très coûteuses. D’autres solutions consistent à utiliser le principe du chauffage par induction via des bobines chauffantes qui viennent chauffer directement la cuve. Cette dernière doit être prévue en acier ferritique. Outre le coût trop élevé, les champs électriques peuvent avoir une incidence non maîtrisée sur la durée de vie de la cuve émaillée. Du reste, toutes les solutions visant à chauffer l’eau par l’extérieur de la cuve sont moins efficaces que les solutions à élément chauffant immergé.
Résumé de l’invention
[00014] La présente invention a pour but de pallier les inconvénients des solutions connues.
[00015] Ce but est atteint conformément à la présente invention, laquelle a pour objet une cuve d’eau chaude sanitaire à accumulation comprenant un piquage d’entrée pour faire entrer de l’eau dans la cuve, un piquage de sortie pour faire sortir de l’eau chaude contenue dans la cuve et un élément chauffant destiné à être immergé dans l’eau de la cuve afin de chauffer l’eau présente en partie basse de la cuve en position installée, caractérisée en ce que ledit élément chauffant comprend au moins un fil souple résistif isolé électriquement, dont les extrémités sortent de la cuve pour connexion à une alimentation électrique externe, et dont au moins une portion de longueur située entre les extrémités est
destinée à reposer par gravitation au fond de la cuve dans ladite position installée, en formant un amas aléatoire.
[00016] Selon un mode de réalisation, ledit élément chauffant est constitué d’au moins un fil souple résistif isolé électriquement. On entend par « constitué » le fait que ledit élément chauffant ne comprend que ledit au moins un fil souple résistif isolé électriquement. En d’autres termes, ledit au moins un fil souple résistif isolé électriquement n’est pas disposé au sein d’un fourreau ou d’un tube. Une paroi externe dudit au moins un fil souple résistif isolé électriquement est ainsi destinée à être au contact de l’eau présente dans la cuve.
[00017] Dans un mode de réalisation possible, l’élément chauffant comprend une pluralité de fils souples résistifs, dont les extrémités sortent de la cuve pour connexion à une alimentation électrique externe, chaque fil étant isolé électriquement et présentant au moins une portion de longueur entre ses extrémités destinée à reposer par gravitation au fond de la cuve dans ladite position installée, en formant avec les autres fils ledit amas aléatoire.
[00018] Ledit au moins un fil comporte de préférence un cœur métallique, et une gaine d’isolation électrique, entourant ledit cœur.
[00019] Dans un mode de réalisation possible, la cuve comporte en outre une anode de protection de la cuve contre la corrosion, ladite anode s’étendant longitudinalement à l’intérieur de la cuve.
[00020] Dans un mode de réalisation possible, la cuve comporte en outre un élément fixé de manière amovible à la cuve pour obturer de façon étanche une ouverture traversant la paroi de la cuve, les extrémités dudit au moins un fil ou de ladite pluralité de fils sortant de la cuve au niveau de l’ouverture et dudit élément.
[00021] L’anode de protection est portée de préférence par ledit élément.
[00022] Dans un mode de réalisation possible et le piquage d’entrée sont situés en partie basse de la cuve en position installée. En variante, le piquage d’entrée et le piquage de sortie sont situés en partie haute de la cuve en position installée.
[00023] Dans un mode de réalisation possible, l’élément est situé en partie basse de la cuve en position installée. L’élément peut alors servir de bouchon de vidange.
[00024] Dans un autre mode de réalisation possible, l’élément est situé en partie haute de la cuve en position installée.
[00025] Dans un mode de réalisation possible, l’élément est une bride située sur une paroi latérale de la cuve en position installée.
Brève description des figures
[00026] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée. Sur les figures annexées :
[00027] [fig. 1] La figure 1 , déjà écrite ci-avant, illustre schématiquement une partie d’une cuve connue pour chauffe-eau électrique, particulièrement adaptée à une configuration dite « sur évier »;
[00028] [fig. 2] La figure 2 , déjà écrite ci-avant, illustre schématiquement une partie d’une autre cuve connue pour chauffe-eau, particulièrement adaptée à une configuration dite « sous évier »;
[00029] [fig. 3] La figure 3 illustre une modification apportée à la cuve pour chauffe- eau de la figure 1 , conformément à un premier mode de réalisation de la présente invention;
[00030] [fig. 4] La figure 4 illustre une modification apportée à la cuve pour chauffe- eau de la figure 2, conformément à un autre mode de réalisation de la présente invention ;
[00031] [fig. 5] La figure 5 donne des essais comparatifs illustrant les gains de l’invention.
Description de mode(s) de réalisation
[00032] Dans les figures, les éléments identiques ou équivalents porteront les mêmes signes de référence. Les différents schémas ne sont pas à l’échelle. Sur certaines figures, certains éléments, dont la cuve, ont été volontairement représentés en traits mixtes afin de faciliter la compréhension des figures et montrer des parties internes à la cuve.
[00033] La figure 3 illustre un premier mode de réalisation d’une cuve conforme à l’invention pour chauffe-eau électrique, particulièrement adaptée à une configuration dite « sur évier ».
[00034] On retrouve ainsi les éléments déjà décrits en référence à la figure 1 , à savoir :
- une cuve 1 , de préférence en acier, et de préférence émaillée sur sa paroi
interne ;
- un piquage d’entrée 2 et un piquage de sortie 3, de préférence soudés sur la paroi externe de la cuve 1 en partie basse de cette cuve, au niveau d’ouvertures correspondantes pratiquées dans cette paroi externe ; et
- une canne d’entrée 4 portée par le piquage d’entrée 2 de manière à s’étendre axialement au piquage d’entrée et à l’intérieur de la cuve 1 , et une canne de sortie 7 portée par le piquage de sortie 3 de manière à s’étendre axialement au piquage d’entrée et à l’intérieur de la cuve 1 .
[00035] Les piquages d’entrée et de sortie sont par exemple également en acier.
[00036] Dans cet exemple non limitatif, le piquage d’entrée 2 et le piquage de sortie 3 sont situés en partie basse de la cuve lorsque celle-ci est en position installée, et orientés de sorte que la canne d’entrée 4 et la canne de sortie 7 s’étendent sensiblement parallèlement à l’intérieur de la cuve 1.
[00037] La cuve 1 comporte en outre un élément chauffant destiné à être immergé dans l’eau de la cuve 1 afin de chauffer l’eau présente en partie basse de la cuve 1 en position installée. Conformément à l’invention, cet élément chauffant est constitué, dans l’exemple représenté, de deux fils souples résistifs, chacun isolé électriquement, et dont les extrémités 10a, 10b d’une part, et 11 a, 11 b d’autre part, sortent de la cuve 1 pour connexion à une alimentation électrique externe (non représentée). La cuve 1 est par ailleurs représentée en position installée, position dans laquelle on peut voir que la portion de longueur située entre les extrémités 10a, 10b ou 11a, 11b repose par gravitation au fond de la cuve 1 , en formant un amas 12 aléatoire.
[00038] Chaque fil souple résistif comporte principalement et de préférence un cœur constitué d’un fil métallique résistant au passage du courant, et une gaine d’isolation électrique, par exemple en silicone, entourant le cœur.
[00039] Comme les fils sont immergés dans l’eau de la cuve et que cette eau est susceptible d’être bue par un utilisateur, le matériau de la gaine est de préférence choisi pour répondre aux exigences des normes sanitaires et de potabilité existantes relatives aux matériaux électriquement isolant autorisés pour le contact alimentaire.
[00040] Dans une variante de réalisation non représentée, l’élément chauffant peut être constitué d’un unique fil souple résistif dont une portion de longueur est destinée à reposer par gravitation au fond de la cuve lorsque cette dernière est
en position installée. Un intérêt de prévoir une pluralité de fils réside dans le fait que l’on peut notamment réguler différents niveaux de puissance, ou encore utiliser plusieurs phases de l’alimentation externe.
[00041] En utilisant une longueur de fils conséquente qui forme l’amas 12 aléatoire, les essais ont montré que l’on peut obtenir une densité volumique de puissance (capacité de l’amas à transmettre de l'énergie, à volume donné) suffisante pour chauffer l’eau dans la partie inférieure de la cuve.
[00042] La figure 5 donne des essais comparatifs obtenus avec un fil (conformément à l’invention), avec une résistance blindée en cuivre classique de puissance égale à 350 Watts, avec une résistance blindée en cuivre classique de puissance égale à 2500 Watts, avec une résistance stéatite connue de puissance égale à 2400 Watts.
[00043] Dans l’exemple de la figure 5, le fil utilisé a un diamètre de 3 millimètres et une puissance linéaire de 57 W/m, ce qui permet d’obtenir une puissance volumique de 8064 W/L. Bien entendu, d’autres puissances volumiques pourront être obtenues avec d’autres fils. Le choix du fil est effectué en fonction des contraintes normatives, des contraintes de conception et/ou de coût. A titre d’exemple non limitatif, on choisira de préférence un fil dont le diamètre externe (gaine comprise) est situé entre 2 et 7 millimètres. La longueur nécessaire du fil formant l’amas dépendra directement de la puissance voulue (par exemple typiquement entre 200 et 3500 Watts dans le cas non limitatif des chauffe-eau domestiques). La puissance volumique est calculée en divisant la puissance du fil (en W) par le volume occupé. Le volume occupé peut être modélisé en 3D, ou calculé expérimentalement. Pour un fil de longueur L et de diamètre D, le volume occupé V est donné par l’équation suivante :
[00044] Il convient de noter que l’on choisit de préférence le fil de manière à ce que le volume occupé soit le moins important possible.
[00045] Sur l’exemple représenté à la figure 3, la cuve 1 comporte un bouchon 13 fixé de manière amovible à la cuve 1 pour obturer de façon étanche une ouverture traversant la paroi de la cuve 1 . Compte-tenu de sa position en partie basse, le bouchon 13 peut servir avantageusement de bouchon de vidange. Comme on le voit sur cette figure, les extrémités 10a, 10b d’une part, et 11a, 11 b
d’autre part, pour les deux fils souples, sortent de la cuve 1 au niveau de l’ouverture et du bouchon de vidange 13. Dans une variante non représentée, on peut également prévoir que le bouchon 13 porte un doigt de gant comprenant un ou des thermostats permettant une mesure de température à des fins de régulation de température par un circuit de régulation externe à la cuve.
[00046] La cuve 1 comporte en outre de préférence une anode de protection de la cuve 1 contre la corrosion (non représentée), par exemple une anode sacrificielle en alliage de magnésium ou en alliage d’aluminium, disposée de manière à s’étendre longitudinalement à l’intérieur de la cuve 1. Dans un mode de réalisation possible, l’anode de protection contre la corrosion peut être portée par le bouchon 13. En variante, on peut envisager que l’anode de protection soit portée dans le prolongement axial de la canne d’entrée 4.
[00047] Dans l’exemple représenté sur la figure 3, le piquage d’entrée 2, le piquage de sortie 3 et le bouchon 13 par lequel sortent les extrémités du ou des fils souples, sont situés en partie basse de la cuve 1 en position installée. D’autres agencements sont bien entendu possibles sans départir du cadre de la présente invention. Dans un autre mode de réalisation non représenté, les extrémités du ou des fils souples peuvent sortir au niveau d’un élément autre que le bouchon 13, par exemple une bride, fixée de manière amovible à la cuve 1, sur la périphérie d’une ouverture traversant la paroi de la cuve 1 . La bride peut être semblable à la bride 9 de la figure 1 , fixée latéralement sur la cuve et portant les extrémités du ou des fils souples (au lieu de la résistance blindée 5 de la figure 1 ), voire un doigt de gant renfermant un ou des thermostats et/ou une anode de protection.
[00048] La figure 4 illustre un autre mode de réalisation d’une cuve conforme à l’invention pour chauffe-eau, particulièrement adaptée à une configuration dite « sous évier ».
[00049] Contrairement à la configuration « sur évier » vue précédemment, le piquage d’entrée 2 et le piquage de sortie 3 de la cuve sont ici situés en partie haute de la cuve 1 lorsque la cuve est en position installée. La canne d’entrée 4 dispose toujours d’une partie 41 formant brise-jet avec des ouvertures latérales. Cependant, afin de respecter le phénomène de stratification, la canne d’entrée 4 est beaucoup plus longue de manière à ce que cette partie 41 formant brise-jet se retrouve dans la partie basse de l’intérieur de la cuve 1.
[00050] Tout comme dans le mode de réalisation décrit ci-avant en référence à la figure 3, l’élément chauffant est constitué, dans l’exemple représenté à la figure 4, de deux fils souples résistifs, chacun isolé électriquement, et dont les extrémités 10a, 10b d’une part, et 11 a, 11 b d’autre part, sortent de la cuve 1 pour connexion à une alimentation électrique externe (non représentée). La cuve 1 est par ailleurs représentée en position installée, position dans laquelle on peut voir que la portion de longueur située entre les extrémités 10a, 10b ou 11a, 11 b repose par gravitation au fond de la cuve 1 , en formant un amas 12 aléatoire.
[00051] Dans une variante de réalisation non représentée, l’élément chauffant peut être constitué d’un unique fil souple résistif dont une portion de longueur est destinée à reposer par gravitation au fond de la cuve lorsque cette dernière est en position installée.
[00052] Ici encore, la cuve 1 comporte un bouchon 13 fixé de manière amovible à la cuve 1 pour obturer de façon étanche une ouverture traversant la paroi de la cuve 1. Comme on le voit sur cette figure, les extrémités 10a, 10b d’une part, et 11a, 11 b d’autre part, pour les deux fils souples sortent de la cuve 1 au niveau de l’ouverture et du bouchon 13. Dans une variante non représentée, on peut également prévoir que le bouchon 13 porte un doigt de gant comprenant un ou des thermostats permettant une mesure de température à des fins de régulation de température par un circuit de régulation externe à la cuve.
[00053] La cuve 1 comporte en outre de préférence une anode de protection de la cuve 1 contre la corrosion (non représentée), par exemple une anode sacrificielle en alliage de magnésium ou en alliage d’aluminium, disposée de manière à s’étendre longitudinalement à l’intérieur de la cuve 1. Dans un mode de réalisation possible, l’anode de protection contre la corrosion peut être portée par le bouchon 13. En variante, on peut envisager que l’anode de protection soit portée dans le prolongement axial de la canne de sortie.
[00054] Dans l’exemple représenté sur la figure 4, le piquage d’entrée 2, le piquage de sortie 3 et le bouchon de vidange 13 par lequel sortent les extrémités du ou des fils souples, sont situés en partie haute de la cuve 1 en position installée. D’autres agencements sont bien entendu possibles sans départir du cadre de la présente invention. Par exemple, dans un autre mode de réalisation non représenté, les extrémités du ou des fils souples peuvent sortir au niveau d’un élément autre que le bouchon 13, par exemple une bride, fixée de manière
amovible à la cuve 1 , sur la périphérie d’une ouverture traversant la paroi de la cuve 1. La bride peut être semblable à la bride 9 de la figure 2, fixée latéralement sur la cuve et portant les extrémités du ou des fils souples (au lieu de la résistance blindée 5 de la figure 1), voire un doigt de gant renfermant un ou des thermostats et/ou une anode de protection.
[00055] Quel que soit le mode de réalisation réalisé, la présente invention présente de nombreux avantages :
[00056] Ainsi, le ou les fils constituant l’élément chauffant sont immergés, ce qui constitue, comme on l’a vu en introduction, une solution plus efficace qu’un chauffage par l’extérieur de la cuve.
[00057] En outre, le ou les fils constituant l’élément chauffant ayant une faible densité surfacique de puissance, ils sont moins sensibles à la qualité de l’eau. On augmente ainsi la durée de vie de l’élément chauffant par rapport à celles des solutions connues d’élément chauffant immergé.
[00058] Par ailleurs, la densité volumique de puissance offerte par l’amas de fils aléatoire est bien plus importante que la densité volumique de puissance d’un fourreau renfermant une résistance stéatite. Il en résulte un gain en encombrement.
[00059] En outre, dans les modes de réalisation illustrés aux figures 3 et 4, il n’est plus nécessaire de prévoir une bride de taille imposante. En effet, seul un élément de petite taille, par exemple le bouchon de vidange, peut servir ici pour permettre aux extrémités du fil (ou des fils) constituant l’élément chauffant de sortir de la cuve pour être connectées à une alimentation externe. Dans les modes de réalisation pour lesquels le bouchon 13 porte également les sondes en température et/ou une anode de protection contre la corrosion, ou ceux pour lesquels l’anode de protection est portée par la canne d’entrée ou de sortie, on s’affranchit de la nécessité d’utiliser la bride 9 et d’avoir une ouverture correspondante sur le fond de cuve 1b comme illustrée sur les figures 1 et 2. Les deux fonds de cuve 1 et 1 b peuvent être ainsi identiques, ce qui réduit encore les coûts de fabrication.
[00060] Enfin, toutes les opérations d’assemblage se trouvent considérablement simplifiées.
[00061] Bien que la description détaillée précédente n’ait été faite que dans le cadre de cuves pour chauffe-eaux électriques, la présente invention s’applique à
toute cuve à accumulation comprenant un élément chauffant destiné à être immergé dans l’eau de la cuve.
Claims
[Revendication 1] Cuve (1 ) d’eau chaude sanitaire à accumulation comprenant un piquage d’entrée (2) pour faire entrer de l’eau dans la cuve (1 ), un piquage de sortie (3) pour faire sortir de l’eau chaude contenue dans la cuve (1 ) et un élément chauffant destiné à être immergé dans l’eau de la cuve (1 ) afin de chauffer l’eau présente en partie basse de la cuve (1 ) en position installée, caractérisée en ce que ledit élément chauffant comprend au moins un fil souple résistif isolé électriquement, dont les extrémités (10a, 10b) sortent de la cuve (1 ) pour connexion à une alimentation électrique externe, et dont au moins une portion de longueur située entre les extrémités (10a, 10b) est destinée à reposer par gravitation au fond de la cuve (1 ) dans ladite position installée, en formant un amas (12) aléatoire.
[Revendication 2] Cuve (1 ) selon la revendication 1 , dans laquelle l’élément chauffant comprend une pluralité de fils souples résistifs, dont les extrémités (10a, 10b, 11a, 11 b) sortent de la cuve (1 ) pour connexion à une alimentation électrique externe, chaque fil étant isolé électriquement et présentant au moins une portion de longueur entre ses extrémités (10a, 10b ; 11a, 11 b) destinée à reposer par gravitation au fond de la cuve (1 ) dans ladite position installée, en formant avec les autres fils ledit amas (12) aléatoire.
[Revendication 3] Cuve (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit au moins un fil comporte un cœur métallique, et une gaine d’isolation électrique, entourant ledit cœur.
[Revendication 4] Cuve (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre une anode de protection de la cuve (1 ) contre la corrosion, ladite anode s’étendant longitudinalement à l’intérieur de la cuve (1 ).
[Revendication 5] Cuve (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre un élément (13) fixé de manière amovible à la cuve (1 ) pour obturer de façon étanche une ouverture traversant la paroi de la cuve (1 ), les extrémités (10a, 10b ; 11a, 11 b) dudit au moins un fil ou de ladite pluralité de fils sortant de la cuve (1 ) au niveau de l’ouverture et dudit élément(13).
[Revendication 6] Cuve (1) selon la combinaison des revendications 4 et 5 dans laquelle l’anode de protection est portée par ledit élément (13).
[Revendication 7] Cuve (1) selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, dans laquelle le piquage d’entrée (2) et le piquage de sortie (3) sont situés en partie basse de la cuve (1 ) en position installée.
[Revendication 8] Cuve (1) selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, dans laquelle le piquage d’entrée (2) et le piquage de sortie (3) sont situés en partie haute de la cuve (1) en position installée.
[Revendication 9] Cuve (1) selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, dans laquelle ledit élément est une bride située sur une paroi latérale de la cuve (1) en position installée.
[Revendication 10] Cuve (1) selon la revendication 7, dans laquelle ledit élément (13) est situé en partie basse de la cuve (1) en position installée, et forme un bouchon de vidange. [Revendication 11] Cuve (1) selon la revendication 8, dans laquelle ledit élément (13) est situé en partie haute de la cuve (1) en position installée.
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- 2023-11-07 WO PCT/FR2023/051742 patent/WO2024100350A1/fr unknown
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR3141756B1 (fr) | 2025-02-07 |
FR3141756A1 (fr) | 2024-05-10 |
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