FR3120934A1 - Turbine pour bouche d’aeration et bouche d’aeration autonome en energie compatible avec une large gamme de debits d’air - Google Patents

Turbine pour bouche d’aeration et bouche d’aeration autonome en energie compatible avec une large gamme de debits d’air Download PDF

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Nicolas LAMOUCHE
Stéphane Laurent
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Abstract

L’invention concerne une turbine (1) pour bouche d’aération, de forme générale cylindrique, présentant un axe principal de rotation (A), et comprenant une série centrale (2) de premières pales (20). La turbine (1) est caractérisée en ce qu’elle comprend une série externe (3) de deuxièmes pales (30), les deux séries (2,3) occupant des espaces annulaires concentriques et centrés sur l’axe principal (A), et en ce que les deuxièmes pales (30) sont incurvées et comportent : - une portion d’entrée parallèle à une direction du flux d’air (F) entrant dans la turbine (1), pour guider ledit flux d’air,- une portion de sortie formant un angle supérieur à 90° avec l’axe principal (A), pour faire barrage au flux d’air (F), et- une portion intermédiaire pour relier les portions d’entrée et de sortie. L’invention concerne également une bouche d’aération (100) comprenant ladite turbine (1). Figure 5

Description

TURBINE POUR BOUCHE D’AERATION ET BOUCHE D’AERATION AUTONOME EN ENERGIE COMPATIBLE AVEC UNE LARGE GAMME DE DEBITS D’AIR
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne le domaine des bouches d’aération autonome en énergie. Elle concerne en particulier une turbine, compatible avec les bas et les hauts débits d’air, qui assure l’autonomie énergétique de la bouche d’aération tout en limitant les nuisances sonores et l’usure.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Les bâtiments modernes sont tous équipés d'un système de ventilation, de climatisation et/ou de chauffage qui permet notamment de renouveler l'air intérieur et d'évacuer l'air vicié. On évite ainsi une accumulation d'une quantité excessive de composés ou de particules nocives : CO2, composés organiques volatils, etc. On évite également une humidité excessive qui peut conduire à la dégradation du bâtiment, et on confère un degré de confort satisfaisant pour les résidents.
Il est de plus en plus fréquent d’équiper les bouches d’aération, disposées dans les espaces intérieurs d’un bâtiment, de dispositifs de mesure (capteurs de température, d’humidité, de qualité de l’air, etc.) afin de collecter des données caractérisant l'état de ces espaces. Les dispositifs de mesure sont reliés à un dispositif de commande, par exemple un calculateur, de manière à pouvoir commander les moyens de chauffage, de ventilation et de climatisation sur la base des données collectées.
Afin de limiter les travaux d’aménagement pour l’alimentation en énergie des dispositifs de mesure et les liaisons nécessaires avec le dispositif de commande pour la communication des données mesurées, plusieurs solutions de dispositifs de mesure autonomes ou de bouches d’aération autonomes ont été proposées.
On connaît par exemple du document WO2018069656 un dispositif de mesure d’une caractéristique de l’air circulant dans un conduit d’aération, autonome en énergie et présentant une émission sonore faible en fonctionnement. La rotation d’une turbine permet la mesure du débit d’air et procure l’énergie mécanique qui, convertie en électricité, rend le dispositif autonome.
Dans une bouche d’aération, le débit d’air peut varier très fortement, en fonction du réseau d’aération, des besoins de ventilation, de chauffage ou de climatisation. Il est donc important que le dispositif autonome fonctionne dans une large gamme de débits d’air, typiquement entre 5m3/h et 45m3/h pour une bouche de 80mm de diamètre, ou entre 10m3/h et 120m3/h pour une bouche de 125mm, voire jusqu’à 200m3/h et plus encore pour les bouches de plus gros diamètre. La vitesse de rotation de la turbine doit donc être suffisante, à bas débits d’air, pour récupérer l’énergie autorisant un fonctionnement autonome ; de plus, la vitesse de rotation de la turbine doit être limitée à hauts débits d’air, pour éviter les nuisances sonores et l’usure des pièces en mouvement. Il peut également arriver que l’électronique permettant la récupération d’énergie électrique ne soit pas compatible avec de trop hautes vitesses de rotation de la turbine.
Ces deux impératifs de rotation, à faibles et hauts débits d’air, appellent souvent des choix antagonistes de designs de pales pour la turbine : des compromis de design sont habituellement opérés qui ne parviennent pas à adresser parfaitement les besoins de fonctionnement dans les larges gammes de débits d’air énoncées.
OBJET DE L’INVENTION
La présente invention propose une turbine pour une bouche d’aération autonome, compatible avec les bas et les hauts débits d’air, qui assure l’autonomie énergétique de la bouche, tout en limitant les nuisances sonores et l’usure. L’invention concerne également une bouche d’aération autonome comprenant ladite turbine.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention concerne une turbine pour une bouche d’aération, de forme générale cylindrique, présentant un axe principal de rotation, et comprenant une série centrale de premières pales, la turbine étant destinée à être traversée par un flux d’air. La turbine est remarquable en ce qu’elle comprend une série externe de deuxièmes pales, les deux séries occupant des espaces annulaires concentriques et centrés sur l’axe principal, et en ce que les deuxièmes pales sont incurvées et comportent :
- une portion d’entrée parallèle à une direction du flux d’air entrant dans la turbine, pour guider ledit flux d’air,
- une portion de sortie formant un angle supérieur à 90° avec l’axe principal, pour faire barrage au flux d’air, et
- une portion intermédiaire pour relier les portions d’entrée et de sortie.
Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :
  • l’angle entre la portion de sortie et l’axe principal est inférieur ou égal à 140° ;
  • la portion intermédiaire est courbée ;
  • chaque deuxième pale présente une forme générale en L, la portion d’entrée comprend une face frontale s’étendant radialement par rapport audit axe principal, et la direction du flux d’air est parallèle à l’axe principal ;
  • chaque deuxième pale présente une forme générale en U, la direction du flux d’air est sécante à l’axe principal, ledit flux d’air ayant été dévié par un déflecteur avant d’entrer dans la turbine ;
  • les deuxièmes pales sont disposées les unes à côté des autres, de manière à définir un recouvrement compris entre 70% et 100% d’une surface frontale de l’espace annulaire de la série externe, ladite surface frontale étant normale à l’axe principal ;
  • une paroi périphérique entourant la série externe de deuxièmes pales.
L’invention concerne également une bouche d’aération autonome comprenant :
- la turbine telle que précitée, formant un rotor,
- un stator en liaison pivot avec la turbine par l’intermédiaire d’un arbre de rotation parallèle à l’axe principal,
- un générateur produisant de l’électricité à partir de la rotation de la turbine,
- un système de régulation du flux d’air traversant la bouche d’aération, comportant :
* un obturateur central réglable, apte à bloquer au moins en partie le flux d’air traversant la série centrale de premières pales, et
* un dispositif de commande alimenté par le générateur et configuré pour piloter l’obturateur central.
Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :
  • le système de régulation comporte un obturateur externe réglable, apte à bloquer au moins en partie le flux d’air traversant la série externe de deuxième pales et piloté par le dispositif de commande ;
  • le stator comprend un logement cylindrique centré autour de l’arbre de rotation, à l’intérieur duquel le générateur est disposé ;
  • le dispositif de commande est disposé dans le logement cylindrique ;
  • le (ou les) obturateur(s) est(sont) porté(s) par le logement cylindrique et comporte(nt) des lames s’étendant radialement et aptes à se déployer en éventail pour réguler le flux d’air traversant la bouche d’aération ;
  • le stator comporte une enveloppe externe entourant la turbine et destinée à être fixée dans un conduit d’aération ;
  • la turbine comprend une zone annulaire fermée entre la série externe et la série centrale, une face arrière de cette zone annulaire comportant au moins une paroi cylindrique concentrique configurée pour former un système de labyrinthe avec au moins une paroi complémentaire portée par le stator, de manière à limiter le passage de l’air entre les séries externe et centrale de pales, sans frottement ;
  • le générateur comprend un convertisseur magnéto-électrique et une source de champ magnétique ;
  • le dispositif de commande comprend au moins un moteur pour actionner le (ou les) obturateur(s), de façon synchronisée ou indépendamment l’un de l’autre.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
La présente une turbine conforme à l’invention, en vue de face (a) et en perspective (b) ;
La présente une turbine conforme à l’invention, en vue de côté (a) et en coupe (b) ;
La présente une turbine selon un mode particulier de réalisation de l’invention ;
La présente la vitesse de rotation d’une turbine conforme à l’invention, en fonction du débit d’air ;
La présente une bouche d’aération conforme à l’invention, en perspective et en coupe partielle ;
La présente une bouche d’aération conforme à l’invention, en coupe ;
La présente une bouche d’aération conforme à l’invention, en vue arrière, avec les obturateurs du système de régulation du flux d’air partiellement déployés (a) et totalement rétractés (b).
Les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même nature.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation illustrés et/ou détaillés dans la description à suivre) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
L’invention concerne une turbine 1 destinée à être associée à une bouche d’aération autonome en énergie.
Comme illustrée sur la , la turbine 1 présente une forme générale cylindrique et un axe principal de rotation A, parallèle à l’axe z du repère (x,y,z) repris sur l’ensemble des figures. On appellera par la suite « plan frontal », un plan (x,y) normal à l’axe principal A. De la même manière, les surfaces ou faces des différents éléments décrits plus loin qui sont parallèles au plan (x,y) seront nommées surfaces ou faces frontales. Lorsque la turbine 1 est montée dans une bouche d’aération 100, lesdites surfaces et faces frontales sont destinées à recevoir le flux d’air F incident, comme cela est par exemple illustré sur la . Les surfaces ou faces arrière sont disposées à l’opposé des surfaces ou faces frontales.
L’air destiné à traverser la turbine 1 se déplace donc parallèlement à l’axe principal A et en sens inverse de l’axe z. Nous verrons plus loin que, dans un mode de réalisation particulier, un déflecteur peut provoquer une déviation locale de la direction du flux d’air (F) qui peut alors être localement sécante à l’axe principal A.
La turbine 1 selon l’invention comprend une série centrale 2 de premières pales 20. La série centrale 2 occupe un espace de forme annulaire dans le plan frontal (x,y), ledit espace étant centré sur l’axe principal A.
Notons que la zone centrale 6 de la turbine 1 est fermée : une face arrière de cette zone centrale 6 est destinée à coopérer avec un arbre de rotation 60 qui sera décrit plus tard en référence à la bouche d’aération 100.
Les caractéristiques de la série centrale 2 de premières pales 20 sont définies pour autoriser de hauts débits d’air (typiquement supérieurs à 40m3/h). La section de passage, fixée par la largeur de l’espace annulaire, est maximisée de manière à limiter les chutes de pression d’air : l’objectif est que la turbine 1 soit entrainée en rotation par la force d’appui de l’air sur les premières pales 20, mais en ajustant le pouvoir de barrage de ces dernières pour limiter sa vitesse de rotation à hauts débits d’air. Le pouvoir de barrage est défini par le recouvrement des premières pales 20 dans le plan frontal (x,y) et par l’inclinaison desdites pales (20). Le recouvrement de la surface frontale de l’espace annulaire de la série centrale 2 par les premières pales 20 peut être ajusté entre une valeur maximale de 100% et une valeur faible correspondant à une seule première pale 20 dans la série centrale 2 ; des recouvrements intermédiaires sont préférables, basés sur un nombre de premières pales 20 allant typiquement de 3 à 12. Enfin, l’inclinaison des premières pales 20 va également avoir une influence sur la vitesse de rotation de la turbine 1, pour un débit d’air donné : plus l’angle β entre une première pale 20 et l’axe principal A (axe z), typiquement strictement compris entre 90° et 180°, va être important, plus la rotation de la turbine 1 va être lente ( (b)).
A titre d’exemple, pour une turbine 1 de diamètre D de 120 mm (typiquement adaptée à une bouche d’aération de diamètre 125 mm), la série centrale 2 comprend douze premières pales 20, leur inclinaison par rapport à l’axe principal A (parallèle à l’axe z) est de 145° et la largeur l2 de l’espace annulaire est choisie entre 10mm et 20mm, soit en particulier 15mm dans l’exemple de la . De manière générale, on cherche à maximiser cette largeur l2, tout en tenant compte des autres contraintes dimensionnelles de la turbine 1, qui vont être abordées par la suite.
La turbine 1 selon l’invention comprend en outre une série externe 3 de deuxièmes pales 30, qui occupe également un espace de forme annulaire dans le plan frontal (x,y) et centré sur l’axe principal A. La série centrale 2 et la série externe 3 sont concentriques ( ).
Les caractéristiques de cette série externe 3 de deuxièmes pales 30 sont définies pour fonctionner à bas débits d’air : en particulier, elles permettent à la turbine 1 d’avoir une vitesse de rotation suffisante pour autoriser une récupération d’énergie à partir de 5m3/h de débit d’air ; elles permettent également de démarrer la rotation de la turbine à partir d’un débit d’air de l’ordre de 10-15m3/h.
Pour cela, les deuxièmes pales 30 sont incurvées et présentent une forme particulière ( (a)). Chaque deuxième pale 30 comporte une portion d’entrée 31 parallèle à la direction du flux d’air F : on entend ici que la portion d’entrée 31 est sensiblement parallèle à la direction du flux d’air F ; elle pourra typiquement former un angle de plus ou moins 20° avec ladite direction, cet angle étant préférentiellement au plus proche de 0°.
La portion d’entrée 31 est destinée à guider le flux d’air F qui entrera dans la turbine 1.
Chaque deuxième pale 30 comporte également une portion de sortie 33 formant un angle α supérieur à 90° avec l’axe principal A, et dont le rôle est de faire barrage au flux d’air F : la force d’appui de l’air sur cette portion de sortie 33 permet la mise en rotation de la turbine 1, et ce pour de très faibles débits d’air. Avantageusement, l’angle α entre la portion de sortie 33 de chaque deuxième pale 30 et l’axe principal A est inférieur ou égal à 140°.
Enfin, chaque deuxième pale 30 comprend une portion intermédiaire 32 pour relier les portions d’entrée 31 et de sortie 33. On préfèrera que cette portion intermédiaire 32 soit courbée, avantageusement avec une courbure douce pour éviter d’engendrer des turbulences dans l’écoulement du flux d’air F.
Selon un mode de réalisation préféré, chaque deuxième pale 30 présente une forme générale en L ( (a)). Dans ce cas, la portion d’entrée 31 est parallèle à l’axe principal A et présente une face frontale 31a qui s’étend radialement par rapport audit axe principal A. La direction du flux d’air F est parallèle à l’axe principal A. Pour chaque deuxième pale 30, la portion d’entrée 31 forme donc un angle α supérieur à 90° avec la portion de sortie 33, et avantageusement inférieur à 140° ; dans l’exemple de turbine 1 illustré sur la , l’angle α est de 110°.
Selon un mode de réalisation alternatif, chaque deuxième pale 30 présente une forme générale en U ( ). Dans ce cas, la direction du flux d’air F est sécante à l’axe principal A. La déviation du flux d’air F est opéré par un déflecteur 7 disposé juste avant la turbine 1 et destiné à rester fixe, alors que la turbine 1 sera en rotation dans la bouche d’aération. Ainsi, le flux d’air initial I arrive sensiblement parallèlement à l’axe principal A, mais en passant à travers des éléments 71 en L du déflecteur 7, il est dévié pour former le flux d’air F entrant dans la turbine 1. L’angle α’ entre la portion d’entrée 31 et la portion de sortie 33 de chaque deuxième pale 30 peut être compris entre 20° et 110°. Cet angle plus fermé que dans le mode de réalisation précédent, permet d’augmenter le couple d’entrainement de la turbine généré par le flux d’air F et favorise donc la vitesse de rotation ou le démarrage de la turbine à très faible débit d’air.
Quel que soit le mode de réalisation, la forme particulière des deuxième pales 30 leur confère une grande efficacité pour capter le flux d’air F et le mettre à profit pour induire la rotation de la turbine 1, même pour de faibles débits d’air, et en particulier quand la turbine 1 est à l’arrêt.
La localisation de la série externe 3 dans un espace annulaire périphérique de la turbine 1 garantit une grande section de passage, ce qui tend à diminuer la vitesse de l’air, et par conséquent la vitesse de rotation de la turbine 1. La largeur l3de l’espace annulaire de la série externe 3 est préférentiellement comprise entre 1mm et 10mm. Plus la largeur l3est petite, plus le couple d’entrainement sera grand et la vitesse de rotation de la turbine 1 élevée. A titre d’exemple, pour privilégier un démarrage de la turbine 1 à partir d’un débit d’air de l’ordre de 15 m3/h, on choisira une largeur l3de 6mm ; pour un démarrage à partir d’un débit d’air de l’ordre de 10 m3/h, une largeur l3de 3mm sera préférée.
Il est également avantageux de disposer les deuxièmes pales 30 les unes à côté des autres, de manière à définir un recouvrement compris entre 70% et 100%, voire entre 95% et 100% de la surface frontale de l’espace annulaire de la série externe 3. Pour un recouvrement de 100%, en vue de face ( (a)), il n’y a aucun espace vide entre les deuxièmes pales 30 que le flux d’air F peut emprunter : l’air est toujours guidé par les pales 30 ou confronté à celles-ci. Un recouvrement élevé augmente l’efficacité de captage du flux d’air F par la turbine 1 et donc sa capacité à fonctionner à bas débits d’air.
Par ailleurs, la turbine 1 peut avantageusement comprendre une zone annulaire 5, dont la face frontale est fermée, entre la série externe 3 et la série centrale 2 ( ). Au moins une paroi cylindrique 51 concentrique est présente sur une face arrière de cette zone annulaire 5 ( (b)). Comme cela sera rappelé lors de la description de la bouche d’aération 100, la (ou les) paroi(s) 51 est(sont) configurée(s) pour former un système de labyrinthe L avec au moins une paroi complémentaire 115 portée par la bouche 100, de manière à limiter le passage de l’air entre les séries externe 3 et centrale 2 de pales 30,20, et ce, sans frottement ( ).
Enfin, le contour périphérique de la turbine 1 peut être délimité par le bord des deuxièmes pales 30 de la série externe 3, comme cela est illustré sur la (a).
Alternativement, la turbine 1 peut comprendre une paroi périphérique 4 entourant la série externe 3 de deuxièmes pales 30 et formant un contour périphérique continu ( ). Cette configuration est avantageuse en ce qu’elle permet un meilleur guidage du flux d’air F dans la série externe 3 de deuxièmes pales 30. Elle tend donc à améliorer l’efficacité de la série externe 3 pour le démarrage et le fonctionnement à bas débits d’air.
La turbine 1 est avantageusement formée en un matériau plastique, choisi parmi les plastiques d’injection standards tels que l’acrylonitrile butadiène styrène (abs), le polycarbonate (PC), le polypropylène (PP).
La turbine 1 selon l’invention, avec ses deux séries 2,3 de pales 20,30, favorise le couple aérodynamique à bas débit et notamment à l’arrêt de la turbine (effet de la série externe 3), tout en limitant la vitesse de rotation de la turbine 1 lors de son fonctionnement à moyens ou hauts débits d’air (effet de la série centrale 2).
Comme cela est visible sur la , la vitesse de rotation d’une turbine 1 telle qu’illustrée sur la peut varier entre 150 tr/min et 1100 tr/min pour des débits d’air allant d’environ 10 m3/h à 30 m3/h, grâce à la série externe 3 de deuxièmes pales 30 ; avec la série centrale 2 de premières pales 20, la vitesse de rotation peut varier entre 500 tr/min et 2200 tr/min pour des débits d’air allant d’environ 30 m3/h à 110 m3/h.
Pour limiter la vitesse de rotation de la turbine 1 dans les hauts débits d’air, il est possible, comme évoqué précédemment de modifier des paramètres de la série centrale 2 de premières pales 20 (inclinaison des pales 20, recouvrement et nombre de pales 20...).
L’invention concerne également une bouche d’aération 100 autonome en énergie électrique, qui comprend la turbine 1 précédemment décrite ( ). La bouche d’aération 100 est destinée à être fixée dans un conduit d’aération qui fait, en général, partie d’un ensemble de conduits formant le réseau de ventilation d’un bâtiment.
La turbine 1 forme le rotor et la bouche d’aération 100 comporte un élément structurel formant un stator 110, en liaison pivot avec le rotor (turbine 1) par l’intermédiaire d’un arbre de rotation 60 parallèle à l’axe principal A ( ). Cette liaison est par exemple réalisée au moyen de roulements à billes 61 disposés entre l’arbre de rotation 60 et la turbine 1, afin de limiter au maximum les frottements et les pertes d’énergie associées.
Avantageusement, le stator 110 comporte une enveloppe externe 114, de forme sensiblement cylindrique, entourant la turbine 1 ; celle-ci est positionnée à une première extrémité de l’enveloppe 114, du côté où arrive le flux d’air F. L’enveloppe externe 114 est conformée de manière à rentrer, en tout ou partie, dans un conduit d’aération (non représenté). Des moyens de fixation classiques pourront être utilisés pour fixer l’enveloppe externe 114, et donc la bouche d’aération 100, dans le conduit.
Comme cela est bien connu, les conduits d’aération d’un bâtiment peuvent se présenter sous la forme de gaines flexibles ou rigides de section circulaire et de diamètre normalisé de 50mm, 80mm, 125mm ou 300mm. Les dimensions de l’enveloppe externe 114 sont préférentiellement adaptées au diamètre de la gaine. Et il est avantageux d’ajuster le diamètre D de la turbine 1 proportionnellement au diamètre de l’enveloppe externe 114. Pour éviter tout frottement entre le contour périphérique de la turbine 1 et l’enveloppe externe 114, le diamètre D est bien sûr inférieur au diamètre interne de l’enveloppe 114. On prévoit par exemple un jeu fonctionnel de 1mm entre le contour périphérique de la turbine 1 et l’enveloppe 114.
Le stator 110 définit un canal extérieur 113, annulaire, en vis-à-vis de la série externe 3 de deuxièmes pales 30, pour guider le flux d’air F, après sa traversée de la série externe 3, dans le conduit d’aération ou dans la pièce ventilée, selon le type de ventilation. Le stator 110 définit aussi un canal intérieur 112, annulaire, en vis-à-vis de la série centrale 2 de premières pales 20, pour guider le flux d’air F, après sa traversée de la série centrale 2.
Pour éviter les frottements entre la turbine 1 et le stator 110, leur unique liaison est réalisée par l’arbre de rotation 60. Il n’est pas envisagé d’isoler le canal extérieur 113 du canal intérieur 112 par un joint, car cela augmenterait significativement les frottements et par conséquent le débit d’air nécessaire pour faire tourner la turbine 1. Le système de labyrinthe L décrit précédemment et visible sur les figures 5 et 6 peut être ingénieusement mis en œuvre pour réduire significativement le passage d’air d’un canal à l’autre. En effet, comme le système de labyrinthe L augmente la longueur à parcourir par l’air entre les deux canaux, cela génère des pertes régulières (frottements du fluide contre les parois), des pertes singulières (au niveau des coudes) et une dépression (théorème de Bernoulli) : plus la perte totale est grande, plus le débit de fuite passant entre les deux canaux 112,113 est faible.
La bouche d’aération 100 comprend également un générateur 120 produisant de l’électricité à partir de la rotation de la turbine 1.
De manière avantageuse, le stator 110 comprend un logement cylindrique 111, centré autour de l’arbre de rotation 60 et positionné en vis-à-vis de la face arrière de la zone centrale fermée 6 de la turbine 1. Le générateur 120 peut être disposé au moins en partie dans ce logement 111. On comprend alors que le générateur 120 visé doit être compact.
Il existe plusieurs types de générateurs susceptibles d’être utilisés dans la bouche d’aération 100 selon l’invention. On pourra citer à titre d’exemple, et sans que cela soit limitatif, les générateurs d’électricité décrits dans les documents WO2017178772, WO2017178773, WO2018069656, WO2019077248, proposés par la demanderesse.
Selon un mode de mise en œuvre préféré, le générateur 120 comprend donc un convertisseur magnéto-électrique 121 et une source de champ magnétique 122, telle qu’un aimant permanent ( ). Lorsque le convertisseur 121 et la source 122 se déplacent l’un par rapport à l’autre, une variation de champ magnétique est vue par le convertisseur 121, lequel transforme cette variation en une déformation mécanique susceptible de générer une accumulation de charges. Cette capacité de conversion est liée à la présence d’un empilement de couches en matériau magnétostrictif et en matériau piézoélectrique. Les charges électriques fournies par le convertisseur 121 sont collectées et peuvent être par exemple stockées dans un circuit de stockage ou une batterie. Elles serviront notamment à alimenter un dispositif de commande faisant partie de la bouche d’aération 100. Elles pourront en outre alimenter d’autres types de capteurs de mesure intégrables à la bouche 100.
Pour plus de détails sur la fabrication et le fonctionnement d’un tel générateur 120, on se reportera aux documents précités. Sa mise en œuvre dans la bouche d’aération 100 selon l’invention consiste à faire en sorte que le convertisseur magnéto-électrique 121 et la source de champ magnétique 122 soient mobiles l’un par rapport à l’autre. L’un sera donc solidaire du rotor, à savoir solidaire de la turbine 1 ; l’autre sera solidaire du stator 110. Dans l’exemple de la , la source 122 est solidaire de la face arrière de la zone centrale 6 de la turbine 1, et le convertisseur 121 est fixé sur le stator 110, au niveau du logement cylindrique 111.
La rotation de la turbine 1 procure ainsi le mouvement relatif entre le convertisseur 121 et la source 122. La turbine 1 est apte à fournir une vitesse de rotation typiquement comprise entre 100 et 2000 tours/minute (comme illustré sur la ), avantageusement comprise entre 150 et 1500 tours/minute ; cela correspond à la plage de fonctionnement du générateur 120 pour une récupération de charges électriques optimale.
La bouche d’aération 100 comprend également un système de régulation 130 du flux d’air F la traversant. Le système 130 comprend un obturateur central 132 réglable, apte à bloquer au moins en partie le flux d’air F traversant la série centrale 2 de premières pales 20 et le canal intérieur 112 du stator 110.
Le système de régulation 130 peut également comprendre un obturateur externe 133 réglable, apte à bloquer au moins en partie le flux d’air F traversant la série externe 3 de deuxièmes pales 30 et le canal extérieur 113 du stator 110.
Le (ou les) obturateur(s) 132,133 est(sont) avantageusement porté(s) par le logement cylindrique 111 du stator 110. Comme illustré sur la , ils peuvent être placés à une deuxième extrémité de l’enveloppe externe 114.
Un obturateur 132,133 peut se présenter sous différentes formes, par exemple sous forme d’iris ou sous forme d’éventail. Dans ce dernier cas, des lames s’étendent radialement et sont capables de se déployer en éventail pour fermer plus ou moins le canal intérieur 112 et/ou le canal extérieur 113, et ainsi réguler le flux d’air F traversant la bouche d’aération 100. Sur la (a), les pales apparaissent partiellement déployées alors qu’elles sont totalement rétractées sur la (b).
Le système de régulation 130 comprend en outre un dispositif de commande, alimenté par le générateur 120 et configuré pour piloter le (ou les) obturateur(s) 132,133.
Le dispositif de commande peut être, au moins en partie, disposé dans le logement cylindrique 111. Il comprend au moins un moteur 134, préférentiellement logé dans le logement cylindrique 111, pour actionner le (ou les) obturateur(s) 132,133, de façon synchronisée ou indépendamment l’un de l’autre ( ). Il comprend également un circuit électronique (non représenté) pour piloter ledit moteur 134. Ce circuit est avantageusement placé dans le logement cylindrique 111, ce qui facilite les connexions électriques entre le générateur 120 et le dispositif de commande (incluant notamment le circuit électronique et le moteur 134). Alternativement, le circuit électronique peut être placé à l’extérieur de la bouche d’aération 100 et raccordé électriquement au générateur 120 et au moteur 134 par des fils passant à l’extérieur de l’enveloppe externe 114 du stator 110.
Le dispositif de commande peut également comprendre un module de communication sans fil pour communiquer des données mesurées au niveau de la bouche d’aération 100 ou recevoir des informations ou instructions de l’extérieur.
Dans la bouche d’aération 100 selon l’invention, la vitesse de rotation de la turbine 1 peut être mesurée grâce aux impulsions d’énergie fournies par le générateur 120, la fréquence de ces impulsions étant représentative de la rotation de la turbine 1. On peut tirer de cette information, recoupée avec la position du (ou des) obturateur(s) 132,133, le débit d’air passant à travers la turbine 1, et donc dans la bouche d’aération 100. D’autres données peuvent être mesurées grâce à des capteurs intégrés dans la bouche 100, par exemple des capteurs de CO2, d’humidité, de présence, etc.
En fonction des données mesurées au niveau de la bouche d’aération 100, un certain débit d’air peut être souhaité : le système de régulation 130 peut aider à obtenir ce débit en obturant plus ou moins la bouche d’aération 100, lorsque celle-ci est raccordée à un système de ventilation. Prenons l’exemple d’un système de ventilation qui fournit une pression constante nominale : l’obturation de la bouche 100 par le système de régulation 130 va modifier le niveau de pression. Le ventilateur va donc ralentir pour revenir au niveau de pression nominale, ce qui va réduire le débit d’air.
Le (ou les) obturateur(s) 132,133 permet(tent) en outre de privilégier le passage du flux d’air à travers l’une ou l’autre des séries 2,3 de pales 20,30 de la turbine 1, pour rendre la bouche d’aération 100 compatible avec une large gamme de débits d’air.
Pour des débits d’air très faibles (inférieurs à 5 m3/h) ou nuls (cas par exemple d’une intervention de maintenance sur le réseau de ventilation) pour lesquels la turbine 1 est à l’arrêt, l’obturateur central 132 ferme totalement le canal intérieur 112, de sorte que le flux d’air F sera contraint de ne circuler qu’à travers la série externe 3 de deuxièmes pales 20 ; l’obturateur externe 133, s’il est présent, est totalement rétracté de manière à laisser le canal extérieur 113 ouvert. La bouche d’aération 100 est alors dans la configuration la plus favorable à un redémarrage de la turbine 1, à faible débit d’air, typiquement autour de 10-15m3/h.
Lorsque la turbine 1 est en rotation, et que le débit d’air est compris entre 5m3/h et 20m3/h, il est préférable de laisser complètement ouvert le canal extérieur 113 et d’obturer, totalement ou partiellement le canal intérieur 112, de manière à obtenir une vitesse de rotation de la turbine 1 suffisamment élevée pour favoriser la récupération d’énergie, typiquement une vitesse supérieure à 150 tours/min.
Lorsque le débit d’air traversant la bouche d’aération 100 est supérieur à 20-30m3/h, l’obturateur central 132 est rétracté de manière à laisser passer le flux d’air F à travers la série centrale 2 de premières pales 20 adaptée aux hauts débits. On parvient ainsi à contrôler la vitesse de rotation de la turbine 1 dans une plage favorable à la récupération d’énergie (typiquement entre 500 tours/min et 2000 tours/min, voire préférentiellement entre 500 et 1500 tours/min) mais qui demeure en deçà des vitesses de rotation induisant une nuisance sonore et/ou une usure excessive des pièces da la bouche d’aération 100.
Sur la base des données mesurées de vitesse de rotation de la turbine 1, le dispositif de commande peut ainsi piloter le (ou les) obturateur(s) 132,133 pour réguler le flux d’air F incident traversant la turbine 1 et ainsi ajuster la configuration de la bouche d’aération 100 aux différents débits d’air.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et exemples décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.

Claims (16)

  1. Turbine (1) pour une bouche d’aération (100), de forme générale cylindrique, présentant un axe principal de rotation (A), et comprenant une série centrale (2) de premières pales (20), la turbine (1) étant destinée à être traversée par un flux d’air (F) et étantcaractérisée en ce qu’elle comprend une série externe (3) de deuxièmes pales (30), les deux séries (2,3) occupant des espaces annulaires concentriques et centrés sur l’axe principal (A),et en ce queles deuxièmes pales (30) sont incurvées et comportent :
    - une portion d’entrée (31) parallèle à une direction du flux d’air (F) entrant dans la turbine (1), pour guider ledit flux d’air (F),
    - une portion de sortie (33) formant un angle supérieur à 90° avec l’axe principal (A), pour faire barrage au flux d’air (F), et
    - une portion intermédiaire (32) pour relier les portions d’entrée (31) et de sortie (33).
  2. Turbine (1) selon la revendication précédente, dans laquelle l’angle entre la portion de sortie (33) et l’axe principal (A) est inférieur ou égal à 140°.
  3. Turbine (1) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la portion intermédiaire (32) est courbée.
  4. Turbine (1) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle :
    - chaque deuxième pale (30) présente une forme générale en L,
    - la portion d’entrée (31) comprend une face frontale (31a) s’étendant radialement par rapport audit axe principal (A),
    - la direction du flux d’air (F) est parallèle à l’axe principal (A).
  5. Turbine (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle :
    - chaque deuxième pale (30) présente une forme générale en U,
    - la direction du flux d’air (F) est sécante à l’axe principal (A), ledit flux d’air ayant été dévié par un déflecteur (7) avant d’entrer dans la turbine (1).
  6. Turbine (1) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle les deuxièmes pales (30) sont disposées les unes à côté des autres, de manière à définir un recouvrement compris entre 70% et 100% d’une surface frontale de l’espace annulaire de la série externe (3), ladite surface frontale étant normale à l’axe principal (A).
  7. Turbine (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant une paroi périphérique (4) entourant la série externe (3) de deuxièmes pales (30).
  8. Bouche d’aération (100) autonome comprenant :
    - la turbine (1) selon l’une des revendications précédentes, formant un rotor,
    - un stator (110) en liaison pivot avec la turbine (1) par l’intermédiaire d’un arbre de rotation (60) parallèle à l’axe principal (A),
    - un générateur (120) produisant de l’électricité à partir de la rotation de la turbine (1),
    - un système de régulation (130) du flux d’air (F) traversant la bouche d’aération (100), comportant :
    * un obturateur central (132) réglable, apte à bloquer au moins en partie le flux d’air (F) traversant la série centrale (2) de premières pales (20), et
    * un dispositif de commande alimenté par le générateur (120) et configuré pour piloter l’obturateur central (132).
  9. Bouche d’aération (100) selon la revendication précédente, dans laquelle le système de régulation (130) comporte un obturateur externe (133) réglable, apte à bloquer au moins en partie le flux d’air (F) traversant la série externe (3) de deuxième pales (30) et piloté par le dispositif de commande.
  10. Bouche d’aération (100) selon l’une des deux revendications précédentes, dans laquelle le stator (110) comprend un logement cylindrique (111) centré autour de l’arbre de rotation (60), à l’intérieur duquel le générateur (120) est disposé.
  11. Bouche d’aération (100) selon la revendication précédente, dans laquelle le dispositif de commande est disposé dans le logement cylindrique (111).
  12. Bouche d’aération (100) selon la revendication précédente, dans laquelle le (ou les) obturateur(s) (132,133) est(sont) porté(s) par le logement cylindrique et comporte(nt) des lames s’étendant radialement et aptes à se déployer en éventail pour réguler le flux d’air (F) traversant la bouche d’aération (100).
  13. Bouche d’aération (100) selon l’une des cinq revendications précédentes, dans lequel le stator (110) comporte une enveloppe externe (114) entourant la turbine (1) et destinée à être fixée dans un conduit d’aération.
  14. Bouche d’aération (100) selon l’une des six revendications précédentes, dans laquelle la turbine (1) comprend une zone annulaire (5) fermée entre la série externe (3) et la série centrale (2), une face arrière de cette zone annulaire (5) comportant au moins une paroi cylindrique (51) concentrique configurée pour former un système de labyrinthe avec au moins une paroi complémentaire (115) portée par le stator (110), de manière à limiter le passage de l’air entre les séries externe (3) et centrale (2) de pales (30,20), sans frottement.
  15. Bouche d’aération (100) selon l’une des sept revendications précédentes, dans laquelle le générateur comprend un convertisseur magnéto-électrique (121) et une source de champ magnétique (122).
  16. Bouche d’aération (100) selon l’une des huit revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de commande comprend au moins un moteur (134) pour actionner le (ou les) obturateur(s) (132,133), de façon synchronisée ou indépendamment l’un de l’autre.
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