WO2014026878A1 - Dispositif de chauffage par induction d'un chauffe-eau et chauffe-eau muni d'un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de chauffage par induction d'un chauffe-eau et chauffe-eau muni d'un tel dispositif Download PDF

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WO2014026878A1
WO2014026878A1 PCT/EP2013/066427 EP2013066427W WO2014026878A1 WO 2014026878 A1 WO2014026878 A1 WO 2014026878A1 EP 2013066427 W EP2013066427 W EP 2013066427W WO 2014026878 A1 WO2014026878 A1 WO 2014026878A1
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water heater
water
inductor
coil
load
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PCT/EP2013/066427
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Inventor
Jean-Yves Gaspard
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Winslim
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Publication date
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    • F24H7/002—Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release using electrical energy supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
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    • F24D17/0026—Domestic hot-water supply systems with conventional heating means
    • F24D17/0031—Domestic hot-water supply systems with conventional heating means with accumulation of the heated water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/105—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor
    • H05B6/108—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor for heating a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H2250/00—Electrical heat generating means
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2206/00—Aspects relating to heating by electric, magnetic, or electromagnetic fields covered by group H05B6/00
    • H05B2206/02—Induction heating
    • H05B2206/023—Induction heating using the curie point of the material in which heating current is being generated to control the heating temperature

Definitions

  • the present invention relates to an induction heating device of a water heater and a water heater provided with such a device and therefore relates to the field of water heaters otherwise called water heaters, their heating s performing by induction.
  • Water heaters are devices for heating water for different household or industrial needs. It is understood by water heater a water storage device which has at least one tank serving as hot water storage body of hot water, also called balloon frequently.
  • the water heater according to the invention is also understood as an instantaneous heater.
  • the tank being the zone where the water is heated.
  • the tank is often called heating body or balloon.
  • the capacity of such a tank is more or less important according to the needs to which the storage devices are dedicated, for example by being associated with one or more washbasin faucets, a shower and / or a bath, etc.
  • the heating energies of a water heater are mostly gas, fuel oil or electricity.
  • the present invention relates to electric water heaters.
  • an electric water heater has a heating element immersed in the tank serving as a heating body for heating the water it contains.
  • This heating element is frequently a resistor, generally called “shielded resistance” having a modest size and having, due to its technology, a particularly low exchange surface with water. Therefore, the power of the armored resistance is not very important to avoid either the armored resistance causes local boils, or that the armored resistance will not be damaged in the case where, covered with scale, it does not exchange more correctly its energy with the water to heat.
  • the heating element is very scaled, the thermal transfer to the water becomes difficult and the water is not heated correctly because either the thermostat stops the heating before the water heating set temperature is reached. so as to protect the heating element which may be damaged, the thermostat does not perceive the overheating of the heating element which continues the heating and is then deteriorated.
  • resistors inserted into the sleeves. These resistances are called steatite resistances of the name of the insulator which supports the resistive element. These resistances are no longer in contact with water and therefore do not overlap with scale. This, however, only postpone the problem on the sheath, advantageously steel, which is immersed in water and indirectly becomes the heating element water covering itself with scale. The use of such a sleeve for a heating element does not solve the problem of the deterioration of energy transfer.
  • the heat transfer between the heating element and the sleeve is not very good and such a heating element with sheath does not give satisfaction.
  • water heaters with at least one heating element in the form of a resistor do not have very satisfactory yields.
  • these heating elements are only regulated by a thermostat and operate in an all or nothing mode, which is not compatible with new technologies electricity generation or home automation systems and their association with such facilities is inadequate.
  • the problem of green energies such as wind turbines or photovoltaic cells is the difficulty of matching the production and use of electricity.
  • a wind turbine will produce in a windy weather, a photovoltaic cell in sunny weather. It is impossible to match the need and the production under these conditions.
  • the solution is to store the energy, in electrical form, in batteries for example, or in the form of hot water in water heaters.
  • the conventional resistance water heater is not well suited to this demand. Indeed, the heating resistor is actuated in all or nothing, that is to say either cut off or at maximum power.
  • Document EP-A2-2420755 discloses a device for boiling water.
  • This device comprises a water passage circuit and, around, a system for heating the circuit ducts by induction coils. This technique which essentially seeks an instantaneous heating, has coils around the pipes in which the water is brought to pass.
  • a problem underlying the present invention is to provide an electric water heater that can operate under various powers, have a good performance while being easily associated with intelligent energy control systems outside the water heater.
  • an induction heating device intended to cooperate with a water heater, comprising a power generator and an inductive module formed of at least one inductor and at least one charge, the inductor being configured to generate an induced current in the load, characterized in that the inductor and at least one load are configured to be dipping into the heater body of the water heater.
  • the water heater comprises a heating body and an induction heating device, comprising a power generator and an inductive module comprising at least one inductor and at least one load, the at least one inductor being configured to generate a current induced in the load, characterized in that said at least one inductor and at least one load are arranged dipping in the heating body.
  • the technical effect is to guarantee a direct heat exchange between the inductive module composed of an inductor and at least one load with the water contained in the water heater. The inevitable heating of the inductor, resulting in losses, is recovered and also serves to heat the water contained in the water heater. Placement of the inducer in water is not a natural solution for an average technician.
  • immersion is meant that the inductor and the load are immersed and therefore in contact with the water present in the heating body.
  • an intermediate space between inductor and load allows the presence of water between these two components.
  • the inductive module comprises as inductor at least one coil and said at least one load comprises is in the form of a charging plate, the plane of symmetry of the at least one coil and the plane of the plate being substantially parallel,
  • the at least one coil of the inductive module is substantially flattened and preferably is surrounded on each of its faces by a charge plate,
  • the at least one coil has an oblong shape
  • each load plate is substantially rectangular and has longitudinal edges curved towards the at least one coil, the load plates delimiting at least partially between them a parallelepipedal shape,
  • At least one charge plate has a plurality of through-holes facilitating the flow of water through said charge plate
  • the inductive module comprises as inductor at least one printed circuit of power,
  • the inductive module comprises as inductor at least one coil of the form of a solenoid and said at least one load comprises a tube arranged concentrically with the at least one coil,
  • At least one charging tube has a plurality of through-holes facilitating the flow of water through said charging tube;
  • the inductive module comprises as inductor at least one coil of the form of a solenoid, said at least one charge comprises at least one movable electrical conducting element held in the magnetic field of the at least one coil,
  • said at least one load comprises at least one movable ball held in the magnetic field of the at least one coil by a cage preferably arranged concentrically with the at least one coil,
  • the ball cage is configured to allow the brewing of the balls
  • the watertight material and the electrically insulating material form the same envelope
  • the envelope is a shell molded around said at least one inductor
  • the casing is made of plastic, of composite resin,
  • said at least one charge of the inductive module is electrically conductive and preferably has a magnetic permeability, advantageously a high relative magnetic permeability.
  • said at least one filler is configured to deform during heating or is coated with a food component having anti-adhesive properties, so as to limit scale deposition on said at least one filler during its heating,
  • the power generator has an interface equipped with a communication module built into the generator, said module for remote control of the heating parameters such as power, heating time, triggering or stopping the heating.
  • the power generator is arranged outside the heating body
  • said at least one filler is in a material at a Curie point less than a predetermined maximum temperature for the water of the water heater and preferably less than 100 ° C,
  • the support passes through the water heater through a hatch, the support comprising a first portion carrying the inductor, plunging into the heating body, and a second portion extending the first part outside the heating body to the generator of power, advantageously the first part having a greater width than the second part and abutting against a closure plate covering the hatch, said closure plate having an opening sufficient for the passage of the second part,
  • the closing plate comprises a connector for receiving a water inlet pipe to be heated
  • the inductive module is arranged with its longitudinal axis along the longitudinal axis defining the length of the heating body for example over at least one length between one eighth and one half of said length of said heating body,
  • the water heater is a so-called flat water heater, with a substantially parallelepiped heating body,
  • it comprises a plurality of longitudinal channels juxtaposed and fluidly connected to one another, at least one of the longitudinal channels receiving the inductive module of the induction heating device,
  • the inductive module is arranged centrally with respect to the thickness and the width of the heating element
  • the induction generator exchanges with a passage zone water to or in the heating body
  • the inductive module delimits between the inductor and the said at least one charge a water passage, the said inductor submitting the water to a magnetic field preventing the deposit of scale on the said at least one charge,
  • the heating body has a capacity greater than 10 liters and preferably 20 liters.
  • the invention relates to a charging of an inductive module according to the various embodiments as described below.
  • the invention relates to an inductive module comprising a load and an inductor according to the various embodiments as described below.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a longitudinal section of an embodiment of a portion of a water heater according to the present invention, the water heater being flat while being provided with an induction heating device . It should be borne in mind, however, that induction heating can be done with other forms of water heater than a flat cylindrical water heater.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a front view of a water heater according to one embodiment of the invention, the water heater being flat while being provided with an induction heating device
  • FIG. 3 is a schematic representation of a longitudinal perspective section of an embodiment of a water heater according to the present invention, the water heater being flat while being provided with an induction heating device,
  • FIG. 4 is a schematic representation of a longitudinal perspective view of an embodiment of an inductive module with an elongated coil and a substantially rectangular shaped charge plate according to the present invention
  • FIGS. 1 to 3 is a schematic representation of a perspective view of an inductive module according to Figure 4 with two load plates.
  • the water heater illustrated in FIGS. 1 to 3 comprises a heating body intended to receive a volume of water, a water inlet duct 12 to be heated, a heated water outlet duct 13 and advantageously a duct 12b. purge valve to allow the complete emptying of the heating body.
  • the water inlet duct 12 to be heated advantageously opens into the lower part of the heating body, preferably near the inductive module for heating the water.
  • the heating water outlet duct 13 advantageously makes it possible to capture the water in the upper part of the heating body.
  • the water heater is of the accumulation type, that is to say that the water is not in dynamic circulation.
  • the water heater then has heating phases and water withdrawal phase which are generally different and unbound.
  • an induction heating device 1 uses a power generator 7 whose role is to transform the low frequency current of the power supply sector, generally 50-60 HZ, in high frequency.
  • This current is used to supply at least one inductor 2 in the form of at least one induction coil consisting mainly of a conductive winding, incidentally of magnetic circuits, electrical and thermal insulators.
  • the power generator 7 comprises a printed circuit on which are assembled various components 14 including power components whose losses are emitted in the form of heat. These power components are thermally fixed to a dissipator preferably of aluminum. This sink is configured to dissipate the heat emitted from the power components so as to prevent their overheating.
  • the generator 7 may be housed in a receiving box 17 for protecting and / or isolating it electrically and / or isolating it from the water.
  • the receiving box 17 defines the outer contour of the generator 7 and can take for example a substantially rectangular shape or even circular.
  • the generator 7 is connected to the inductor 2 by electrical connectors 10.
  • the coil 2 traversed by the high frequency current generates a variable frequency magnetic field in its close environment.
  • the coil 2 is advantageously carried by a support 3.
  • the charges 4, 5 are in the form of charge plates surrounding the inductor 2.
  • the plates may be two separate plates arranged symmetrically with respect to the plane of the inductor 2 or a single piece folded so as to form two charges symmetrical relative to the plane of the inductor 2.
  • the charges 4, 5 are maintained at a distance from the inductor 2 by spacers 6, advantageously electrically insulating, for example distributed at the four corners of the charge plates, 4, 5 advantageously rectangular or in central position of the charges 4, 5.
  • the load plates 4, 5 are advantageously fixed to the support 3.
  • the assembly of the at least one inductor 2 in the form of at least one coil and at least one load 4, 5 is called inductive module.
  • the inductive module comprises two loads 4, 5 and an inductor 2 without this being in any way limiting.
  • the inductor 2 is electrically insulated and isolated from the water so as to be sealed.
  • the inductive module comprises an electrically insulating material and a waterproof material. They can be one and the same material or several materials.
  • the inductive module comprises an envelope comprising the sealing and electrical insulation properties.
  • the coil is covered with a high temperature insulator for electrical insulation. It is necessary in parallel to provide an insulation with water to make the inductor 2 waterproof.
  • the winding is for example cast or overmolded in a waterproof material.
  • a waterproof material for example, an epoxy resin or a plastic.
  • the materials used and advantageously those in contact with the water to be heated have food characteristics.
  • the waterproof material is also an electrical insulator, it is not necessary to provide a coil covered with insulation.
  • the coil wire itself is configured to be waterproof and electrically insulating, for example a wire intended to be immersed.
  • the envelope of the inductor 2 constitutes a support 3 of the inductor 2.
  • overmolding allows the production of a support 3 of various shapes.
  • the support 3 has for example a support plate shape of dimensions similar to the load plates 4, 5.
  • the support plate is interposed between the load plates substantially parallel to each other.
  • the spacers 6 maintain the three plates 3, 4, 5 spaced apart.
  • the water heater 8 according to the invention comprises a heating body for containing water and heating means for heating the volume of water contained in the heating body.
  • An inductive heating device 1 suffers losses which may represent 5% of the power transmitted, or even more if the winding of the coil 2 is made under strong economic constraints. These losses strongly constrain the prolonged heating of the tank serving as a heating body and often require ventilation of the heating device and mainly of its inductor in the form of a coil. This makes the cost of such a device prohibitively expensive if it is placed outside the water heater making use of the device noisy.
  • the present invention provides for housing the inductor 2 inside the heating body, preferably directly in the water contained in the heating body, at least one load 4 or 5 being also immersed in water.
  • the inductor may be similar to that used in an induction hob, the inductor being of the flat coil type also known under the name "pancake". This type of coil is perfectly symmetrical, namely that the magnetic field is generated equally on both sides. A face is traditionally equipped with a magnetic circuit whose role is to channel the field, usually lower than the inductor and return to the load, usually placed on the upper part of the coil forming the inductor.
  • inductor 2 By extrapolating these characteristics to the induction heating device 1 according to the invention and thus by providing as inductor 2 a flat coil generating a magnetic field on two sides, it is thus used a load 4, 5 to be heated on each side of the coil flat, these charges 4, 5 having adequate ferromagnetic characteristics. It is thus possible to economize a magnetic circuit in the inductor 2.
  • the term flat or flattened means that the thickness of the coil is less than these other dimensions including length, width.
  • the coil therefore has two opposite and parallel faces.
  • the coil is of oblong shape. It has a length greater than its width.
  • the inductor 2 and its charges 4, 5, at least one of which is preferably both immersed, are thus constituted, by way of non-limiting example, of a central flat coil and of two coupled ferromagnetic plates 4, 5 magnetically with the coil 2. These two plates 4, 5 are the seat of eddy currents when the coil 2 is fed by the generator 1 and are operative for heating the water.
  • This configuration also has the advantage of being particularly thin, for example with a thickness of 3 cm, which facilitates its integration into particular forms of water heaters such as flat water heaters.
  • the induction heating device 1 may be possible to save on the cost of the induction heating device 1, in particular on the inductor 2. This can be done, for example, by carrying out the winding in a less complicated manner than the rules of the invention require. art of design. This can be done by minimizing, for example, the winding section or by performing the winding using a solid conductor, or even a power circuit. In this case, the losses are greater but are calculated to be acceptable for the device 1 knowing that they are transmitted to the water and therefore convert into recovered energy.
  • a coil 2 that can be used in the context of the invention may be in the form of a solenoid with internal and / or external charges, to ensure that the charges also serve as magnetic circuits as in the case of two plates 4 , 5 charging.
  • the charge or charges 4, 5 are in the form of a tube advantageously of circular section extending substantially over the entire height of the inductor 2.
  • the charge tubes 4, 5 are arranged concentrically with the solenoid coil.
  • An internal charging tube is arranged inside the coil and an external charging tube is arranged outside the coil.
  • the internal charge is surrounded by the coil while the external load surrounds the coil.
  • the charge tubes 4, 5 are preferably perforated to improve the flow of water.
  • the internal charging tube 4, 5 may be the water inlet pipe to be heated 12 dipping into the heating body.
  • the water inlet pipe 12 to be heated allows the inductive module to be supported: the inductor 2 and the at least one submerged load 4,5.
  • the water inlet duct 12 to be heated is secured to the closure plate 1 1 of the flap 9 visit of the water heater.
  • the water inlet duct 12 to be heated is advantageously in thermal connection with the dissipator supporting the power components 14 of the generator 7.
  • the charges 4, 5 are made of electrically conductive materials either magnetic or non-magnetic.
  • Magnetic materials for fillers 4, 5 are more advantageous to heat than non-magnetic materials.
  • the charges 4, 5 of conductive and non-magnetic material of small thickness, these conductive, nonmagnetic and thin materials, for example of aluminum, of the order of 100 micrometers, being preferentially contiguous to a non-magnetic support. magnetic and non-conductive ensuring their mechanical strength.
  • the fillers 4, 5 may have particular shapes or surface conditions which make it possible, on the one hand, to improve the heat exchange with water and, on the other hand, to optimize the coupling with the induction coil 2, while avoiding the maximum deposition of scale.
  • the load plates 4, 5 are substantially planar and comprise a plurality of through holes of a few millimeters.
  • the through holes improve the circulation of water and therefore the heat exchange around the inductive module without losing efficiency.
  • the charges 4, 5 become the heating elements and therefore the scale tends to be deposited on the charges 4, 5 and not on the coil 2. This phenomenon is however minimized because, for a given power , the power density is much lower and therefore the surface is less hot. . It should also be noted that the risk of breakage of the heating element by overheating disappears because the charges 4, 5 are purely passive and can not be affected by possible overheating.
  • the inductor 2 indirectly heats the charge charges 4, 5 as long as the temperature thereof does not exceed 100 ° C. Beyond this temperature, the material passes its Curie point and becomes non-magnetic, which means that the magnetic flux of the coil is no longer channeled into the load, resulting in a very strong reduction in the active portion of the impedance. coil making it impossible to operate the generator.
  • the heating resumes only after cooling and passing the temperature of the material of the charges 4, 5 below the Curie point, that is to say in its ferromagnetic zone.
  • the production of the charges 4, 5 in such a low-Curie ferromagnetic material may allow absolute and additional thermal safety for the inductor 2 and the heating device 1 containing it.
  • the charges 4-5 are at least partly in the form of at least one movable electrical conducting element maintained in a zone corresponding advantageously at least partially to the field of action of the field of the inductor 2.
  • the at least one conductive element is preferably free of movement in this area.
  • the at least one conductive element is advantageously configured to be set in motion by the flows of water in the heating body, more precisely in the field of action of the field of the inductor 2.
  • the water inlet pipe to be heated 12 is placed under the inductor 2 so that the introduction of water into the heating body ensures the mixing of the at least one element.
  • This mixing limits the deposit of limestone and possibly facilitates its stalling including the beating of the at least one element with at least another element or with its holding means described below.
  • the at least one element is of shape and / or of properties that limit limescale attachment and / or facilitate its stalling.
  • the at least one element is held in the field of action of the field of the inductor 2 by a holding means for example by an axis on which the at least one element is movable in at least one degree of freedom or for example by a cage defining the area in which the at least one element must be maintained and leaving it free to move in all degrees of freedom.
  • the at least one element is at least one ball.
  • the charges 4, 5 are beads maintained in a zone advantageously at least partially corresponding to the field of action of the field of the inductor 2.
  • This zone is preferably defined by a cage, for example based on electrically meshed sheets , conductive or not, shaped to define a volume of reception of the balls.
  • the balls are for example of ferromagnetic materials which heat under the effect of the field induced by the inductor 2.
  • the balls may be of various shapes: circular, cylindrical or other.
  • the balls of the same charge 4, 5 may be of different shapes.
  • the balls are configured to allow on the one hand to achieve a charge and therefore adequate induction heating, on the other hand to minimize the incrustation of scale and possibly facilitate its stall.
  • the cage is configured to allow movement of the balls and in particular their interception.
  • the shape of the beads advantageously of circular section, limits the deposit of scale.
  • the shocks between the balls facilitate the removal of the deposited scale.
  • the cage of each charge 4 -5 is in a non-conductive material so as not to heat and not risk being scaled.
  • the cage is configured to allow a thermal exchange of the balls with the most effective water possible.
  • the balls are held in an annular zone concentric with the coil.
  • the inner cage is advantageously formed by the solenoid.
  • the balls are placed in the internal volume defined by the solenoid, the ends of the solenoid are closed by a wall preferably a grid whose mesh is smaller than the smallest section of the balls so as to maintain the balls while letting pass the possible scale unhooking balls as well as to ensure a good flow of water around the balls.
  • the outer ball cage is formed of at least one tubular grid surrounding the inductor 2.
  • the loads 4-5 are secured to the closure plate 1 1, as well as the inductor 2, so as to facilitate the introduction and removal of the inductive module.
  • the balls have a size for example of the order of 15 mm.
  • Each charge 4 -5 can be composed of 10 to 30.
  • the exchange surface is at least comparable to that of a charge of rectangular shape.
  • the balls are light to facilitate their mixing.
  • the phenomenon of induction occurs on a so-called “skin" thickness. It is thus possible to reduce the thickness of the conductive material of the at least one conductive element.
  • a ball may be solid or hollow with only one envelope of conductive material.
  • the load can be composed of balls of different nature.
  • a thickness of 0.5 mm for a ball diameter of 15 mm and a field frequency of 20 KHz is sufficient, the core being hollow or material preferentially lighter than the conductive material.
  • the ball comprises a nonmagnetic conductive envelope of small thickness so as not to reduce an impedance unsuitable on the inductor.
  • the thickness of the envelope is less than the thickness of the skin, as a preferred example of the order of 1/10 of the thickness of the skin.
  • the core is hollow or non-conductive material and preferentially lighter than the conductive material.
  • the ferritic beads are subjected simultaneously to the frequency in question, to an attraction effect related to their magnetic permeability and to a repulsion effect related to the induced currents, the resultant being almost zero.
  • the nonmagnetic balls whose conductive layer is about 1/10 of the thickness of the skin are subjected only to the repulsive force associated with the Laplace force induced currents. This force may be, depending on the weight of the balls, sufficient to cause their displacement and bucking having a descaling effect, this phenomenon being accentuated if it is cumulative with the flow of water generated by the outlet of the water pipe to be heated. .
  • magnetic antitarcters either permanent magnets or coils creating variable magnetic fields in frequency ranges up to 100kHz.
  • Electronic anti-scale devices using these principles although expensive, remain of modest power, no more than a few tens of voltamperes and generate weak fields of a few tens of amperes / meter.
  • the immersed inductor 2, used in the device 1 according to the present invention has a power of several thousand voltamperes and generates particularly high fields, greater than 1000 amperes / meter in the air gap of the inductor 2 and charges 4, 5 and in the same frequency ranges from 20 to 50 kHz. It may therefore be interesting to ensure that the arrival of cold water or just a water passage is between the charges 4, 5, so that the water passes in a strong magnetic field. The intense magnetic field can then act on the ions suspended in water and cause a non-deposition effect of these ions on the hot elements, that is to say an anti-precipitation effect of limestone scale. It may therefore be a beneficial consequence following the adoption of the inductor 2 immersed in the water heater 8, which is however not the main effect sought.
  • a closed form of this kind may also have an interest in the use of tanks used as non-metallic heating bodies or composite materials. In this case, it is best to channel the magnetic field emitted by the winding.
  • a closed geometry advantageously allows a channelization of the magnetic fluxes and therefore a greater facility to meet the standards relating to electromagnetic disturbances.
  • a very fine temperature regulation by means of at least one immersed sensor of the NTC (Negative Temperature Curve) type, that is to say in the form of a thermistor whose resistance decreases with temperature.
  • NTC Negative Temperature Curve
  • PTC Positive Temperature Curve
  • the temperature can then be regulated with predefined heating cycles, or even anticipation of hot water demand at particular predefined or calculated learning times; indeed, the existing water heaters are equipped with thermostats that are set in the factory or by the installer once and for all and are not adjustable by the user.
  • This last advantage is particularly important in the case of new energies and their uses.
  • An inductor 2 immersed in the water of the water heater 8 is particularly advantageous with respect to an inductor which directly heats the tank serving as a heating body. Indeed, it makes it possible to electrically isolate the energy-receiving charges 4, 5 from the tank serving as a heating body and therefore the earth and, as a result, to Significantly reduce the dimensions of the electronic filters to eliminate the rejection of high-frequency components to the mains or the earth.
  • the power demand is maximum and therefore the energy required is then high, soliciting the components 14 of the power generator 7 which are then maintained below about 100 ° C.
  • the water is then regulated so as never to exceed 60 ° C., for example at the bottom of the tank, and thus serves as an excellent dissipator for the losses of the components 14 of the generator 7 which then participate, but in a lesser manner than the inductor 2 , at the efficiency of the heating device.
  • the invention has been applied to a water heater 8 of 100 liters.
  • the inductor 2 is a series half-bridge type inverter with a maximum power of 3700 watts corresponding to a current of 16 amperes at 230 volts.
  • the inductor 2 is, by way of illustration and not limitation, a flat coil of dimensions 55 ⁇ 340 ⁇ 4 mm, positioned vertically in the water heater 8.
  • the flat coil 2 consists of 24 turns of enameled multi-strand wire ensuring the first electrical insulation, the number of turns and the distance with the plates 4, 5 to bring back to the resonance power generator 7 an impedance compatible with the power to be transmitted.
  • the induction coil is a winding of a strand of divided wire or a solid conductor of copper or aluminum.
  • the winding is for example then molded in an electrical insulating material to ensure the necessary insulation to the immersed component, the material in contact with the water also having food characteristics.
  • a component of the NTC type is positioned in the center of the winding and overmolded therewith. It ensures, as a sensor, the reading of the temperature which will allow a fine regulation of the inductor 2. It is easy to manage multiple multiplexed sensors and thus to have accurate temperature information at several locations in or out of the heater body or components in or out of the heater body
  • Two ferritic plates of thickness that can advantageously vary between 6/12 and 12/10 and being folded at 90 ° on one side so as to form a parallelepiped when they are mounted face to face, are positioned on either side of the inductor winding at a distance of 6 mm allowing the passage of water between the plates 4, 5 and the inductor 2.
  • the dimensions of the plates 4, 5 are 380 mm x 270 mm.
  • the charges 4, 5 are secured to the support 3, advantageously plastic or composite, itself advantageously being at least in abutment or secured to the closure plate 1 1 of the hatch 9 to visit the heater. water 8, so that the charges 4, 5 are electrically floating.
  • the inductor 2 and advantageously the temperature sensor are electrically connected by electrical connectors 10 to the generator 7, advantageously secured to the other side of the closure plate 1 1 of the hatch 9 and thus out of the water heater 8.
  • Generator power components 7 may be thermally connected to the closure plate 1 1 of the hatch 9 and thus may also dissipate their heat to the water of the tank serving as a heating body.
  • the generator 7 is connected to a control interface positioned at the front of the water heater 8 and can optionally display the operating and status parameters of the water heater 8 and the electrical network.
  • This interface is for example equipped with a communication module with a local communication network.
  • Such a network makes it possible to exchange the consumption information of the water heater 8 with the central electrical energy management system and also to be controlled by this system.
  • the induction heating device 1 is disposed near and in the lower median part of the water heater 8, the generator 7 being disposed outside, advantageously below the water heater 8 when the water vertically.
  • the inductor 2 of the device 1, connected to the generator 7 by electrical connections 10, as well as its support plate 3, are arranged inside the water heater 8 by penetrating into said water heater 8 through the hatch 9 provided in the lower middle of the water heater 8.
  • an advantageous possibility is to propose an induction kit, namely, a closure plate 1 1 of the hatch 9 supporting on one side the inductive module and the other side, the power generator 7.
  • the equipment of the water heater by induction heating means can thus be performed without any intervention on the mechanics of the water heater, just by the introduction of the Kit.
  • the power generator 7 may be round or rectangular, articulated around the cold water inlet tube 12 and integral with the closure plate January 1.
  • the oblong shape of the coil and more generally of the inductive module facilitates its assembly and disassembly in the heating body by the hatch 9 of the smallest dimensions improving the pressure resistance of the water heater.
  • the round shape of the solenoid coil and its charges in the form of balls constrained to move in a confined area subjected to the field of the induction coil, the cage, also has a form facilitating assembly and disassembly of the inductive module in the body heating.
  • the different variants relating to the inductive module and to the loads are not exclusive and can be combined.
  • the water inlet 12 to be heated in the heating body is arranged in line with the inductive module.
  • This arrangement allows a water supply in the heating zone which improves the flow of water.
  • the water inlet duct 12 to be heated is arranged on the closure plate January 1.
  • the inductor 2 extends over part of the length of the water heater 8.
  • the inductor is arranged in the lower part of the water heater.
  • the inductor 2 represents at most half the length of the water heater, preferably between one eighth and one quarter of the length of the water heater 8.
  • the support 3 of the inductor 2 has a first portion 3b, overmolded around the coil, for example flat forming the inductor 2, part 3b which is intended to be completely introduced into the water heater 8, the coil for example flat forming the inductor 2 being covered by its envelope.
  • the coil forming the inductor 2 advantageously at mid-length of the coil, it can be provided at least one temperature sensor, for example of the NTC type or the PTC type, this sensor of temperature being immersed inside the water heater 8 and delivering temperature values transmitted to the generator 7 of the device 1.
  • at least one temperature sensor for example of the NTC type or the PTC type, this sensor of temperature being immersed inside the water heater 8 and delivering temperature values transmitted to the generator 7 of the device 1.
  • the support 3 also has a second part 3a, narrower than the first part 3b, this second part 3a located outside the water heater 8 and extending the first part 3b towards the generator 7 bearing only the Electrical connections 10.
  • the junction between first 3b and second 3a of smaller width has for example lateral shoulders.
  • the hatch 9 may for example have a rectangular outer shape that differentiates it substantially from the generally circular hatch for the passage of the electrical resistance in a water heater of the state of the art.
  • the hatch 9 is closed by at least one closure plate January 1, fixed to the hatch 9 by removable fastening means of the screw type advantageously interposing between them a seal.
  • the closure plate 1 1 has a central rectangular opening just sufficient for the passage of the second part 3a of the support plate 3 through it, the shoulders 15 carried by the first part 3b of the support plate 3 at its junction with the second part 3a arriving in internal abutment against the closure plate 1 1.
  • the closure plate 1 1 can be secured to the support 3 directly during overmoulding of the coil 2 by a plastic material.
  • the water heater according to the invention comprises heat exchange means.
  • the heat exchanger is a heat exchanger with water passage, preferably water to be heated, for example the supply water of the water heater 8 passing through at least one water inlet pipe 12 to heat.
  • the heat exchange means according to the invention comprise the dissipator on which the power components are thermally connected.
  • the dissipator comprises a portion forming an envelope for evacuating the heat generated during the operation of the generator 7, this with the water heater 8.
  • a water circulation circuit in the direction of the heater.
  • Envelope means an interface between the water circulation circuit and the power components.
  • the envelope is understood as the heatsink surrounding the circulation circuit of the water towards the heating body.
  • the circulation circuit is preferably connected to the inlet conduit 12 of water to be heated.
  • the envelope is reduced to a sleeve 16 cooperating with a portion of the inlet conduit 12 of water to be heated.
  • the envelope may be in thermal connection with the water circulation circuit or constitute the water circulation circuit. In the latter case, the water circulates directly in the envelope.
  • the assembly comprises a complementary circuit.
  • a water tap may be provided from the inlet duct 12 to form a complementary water circulation circuit inside the casing 17.
  • the sleeve 16 can be provided without the sleeve 16 being used for the evacuation of heat from the generator 7 by being replaced by another means of heat exchange or in addition to such a heat exchange, that the sleeve 16 has respectively main or additional function of fixing the housing 17 of the generator 7 with respect to a water inlet conduit 12, which is advantageous for the maintenance of the housing 17.
  • the power generator 7 is thermally connected to the water heater, more precisely, the heat sink supporting the power components of the generator 7.
  • the generator 7 and more precisely the heat sink is thermally insulated so as to limit the heat exchanges with the outside air and to concentrate the heat exchange with the zone of passage of water to or in the body heating.
  • the generator 7 can be attached to the outside of the heating element on a non-thermally insulated zone, a heat exchanger advantageously being arranged between the heating element and the generator 7, more precisely the heat sink is thermally connected to the heating body.
  • the non-thermally insulated zone of the heating body is the closing plate 1 1.
  • the power components of the generator 7 may be thermally connected to the closure plate 1 1 of the hatch 9 described below, preferably by through the dissipator, and dissipating their heat indirectly to the water contained in the heating body.
  • the water inlet pipe to be heated 12 can be secured to the closure plate 1 1.
  • the water inlet pipe 12 to be heated is preferably aluminum and allows improved heat exchange.
  • the power generator 7 can be arranged dipping into the heating body of the water heater 8, this with or without a heat exchanger arranged between the water contained in the heating body and the generator 7.
  • the dissipator is arranged dipping in the heating body, the rest of the generator 7 being outside the heating body.
  • a single piece of anodized aluminum extending outside and inside can act as a connection to the water pipe to be heated 12, heatsink for the power components, external support for the power generator, support inside the inductive module.
  • the advantage of this unique piece is that it combines the function of dissipator by conduction and convection by the passage of water to be heated.
  • the cooling of the generator 7 is possible even according to the embodiment comprising a water circuit in the direction of the heating body and this even in the absence of filling of the heating body through convection.
  • the exchange of heat produced by the exchange means warms the water of the passage zone and cools the generator 7 locally, more precisely the dissipator, the water of the heated passage zone will undergo movements of convection away from the passage zone and closer to the water at a lower temperature creating a convective flow.
  • this effect is reinforced by the arrangement of the generator 7 below the tank of the water heater and the movement of the hot water which rises towards the tank.
  • the exchange means are positioned as close to the heating body as possible
  • FIGs 1 to 3 show a longitudinal section of the lower part of a water heater 8 in the form of a so-called flat water heater.
  • This flat water heater that is of substantially parallelepipedal shape, comprises a water supply pipe 12 to be heated and a purge pipe 12b and a water outlet duct 13 to be heated.
  • In the water heater 8 extend throughout the length of the water heater 8 spaced regularly spaced apart walls 19, for example four intermediate walls 19 for the water heater 8.
  • These intermediate walls 19 have a width equivalent to the thickness of the water heater 8 and thus defining longitudinal channels for the passage of water between them. It is in such a channel, preferably that which is median to the water heater 8, that there is an inductive module 2 of the induction heating device 1.
  • the intermediate walls 19 have openings 20 at regular intervals communicating two longitudinal channels adjacent to each other. These intermediate walls 19 thus serve to reinforce the water heater 8 and to circulate the water in the heating body.
  • the inductive module is placed in the heating body so that its thickness is oriented according to the thickness of the water heater body.
  • the inductive module thus placed facilitates the circulation of water through the opening 20 and around the load plates 4, 5.
  • the longitudinal channels correspond to several tanks.
  • the water heater 8 may be composed of three tanks serving as cylindrical elemental heating bodies.
  • these tanks have a section substantially equivalent to the section of a longitudinal channel.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de chauffage par induction d'un chauffe-eau et un chauffe-eau muni d'un tel dispositif. Le chauffe-eau (8) est caractérisé en ce que les moyens de chauffage (2, 4, 5, 7) comprennent un générateur (7) de puissance et un module inductif formé d'au moins un inducteur (2) et d'au moins une charge, l'inducteur (2) étant configuré pour générer un courant induit dans la charge, l'inducteur (2) et au moins une charge étant immergés dans le volume d'eau à chauffer. Application dans le domaine des chauffe-eaux domestiques ou professionnels.

Description

"Dispositif de chauffage par induction d'un chauffe-eau et chauffe-eau
d'un tel dispositif"
La présente invention concerne un dispositif de chauffage par induction d'un chauffe-eau et un chauffe-eau muni d'un tel dispositif et se rapporte donc au domaine des appareils de chauffage de l'eau autrement appelés chauffe-eaux, leur chauffage s'effectuant par induction.
Les chauffe-eaux sont des dispositifs permettant de chauffer l'eau pour différents besoins ménagers ou industriels. Il est entendu par chauffe-eau un appareil à accumulation d'eau qui possède au moins une cuve servant de corps de chauffe de stockage d'eau chaude, dite aussi fréquemment ballon. Le chauffe-eau selon l'invention s'entend également comme un appareil à chauffage instantané. La cuve étant la zone où l'eau est chauffée. La cuve étant dénommée fréquemment corps de chauffe ou ballon. La capacité d'une telle cuve est plus ou moins importante suivant les besoins auxquels les appareils à accumulation sont dédiés, par exemple en étant associés avec un ou des robinets de lavabo, une douche et/ou une baignoire, etc.
Les énergies de chauffage d'un chauffe-eau sont majoritairement du gaz, du fioul ou de l'électricité. La présente invention concerne les chauffe-eaux électriques.
De manière connue, un chauffe-eau électrique possède un élément chauffant plongeant dans la cuve servant de corps de chauffe permettant de chauffer l'eau qu'il contient. Cet élément chauffant est fréquemment une résistance, dite généralement "résistance blindée" présentant une taille modeste et disposant, en raison de sa technologie, d'une surface d'échange avec l'eau particulièrement faible. De ce fait, la puissance de la résistance blindée n'est pas très importante pour éviter soit que la résistance blindée provoque des ébullitions locales, soit que la résistance blindée ne s'endommage dans le cas où, recouverte de tartre, elle n'échange plus correctement son énergie avec l'eau à chauffer.
Le calcaire est quasiment partout présent en suspension dans l'eau et lorsque l'eau contenue dans la cuve servant de corps de chauffe est chauffée, l'agitation moléculaire va provoquer la précipitation du calcaire ou entartrage sur la résistance blindée et généralement sur les parties chaudes dont la tuyauterie du chauffe-eau. L'entartrage est un problème majeur sur les chauffe-eaux car, suivant les caractéristiques de l'eau, chauffes après chauffes l'élément chauffant se recouvre de tartre. Ceci a pour effet, d'une part, de réduire l'échange thermique avec l'eau et, d'autre part, de réduire la durée de vie de l'élément chauffant qui surchauffe et finit par se détruire. Le tartre déposé réduit le transfert de chaleur à l'eau, l'élément chauffant surchauffe. Si l'élément chauffant est très entartré, le transfert thermique à l'eau devient difficile et l'eau n'est pas chauffée correctement car soit le thermostat arrête la chauffe avant que la température de consigne de chauffage de l'eau ne soit atteinte de sorte à protéger l'élément chauffant qui risque d'être détérioré, soit le thermostat ne perçoit pas la surchauffe de l'élément chauffant qui poursuit la chauffe et est alors détérioré.
Pour éviter un tel entartrage, il existe des résistances insérées dans des fourreaux. Ces résistances sont dites résistances stéatites du nom de l'isolant qui supporte l'élément résistif. Ces résistances ne sont plus alors en contact avec l'eau et ne se recouvrent donc pas de tartre. Cela ne fait cependant que reporter le problème sur le fourreau, avantageusement en acier, qui est plongé dans l'eau et devient indirectement l'élément chauffant l'eau en se couvrant de tartre. L'utilisation d'un tel fourreau pour un élément chauffant ne règle donc pas la problématique de la détérioration du transfert d'énergie.
De plus, le transfert thermique entre l'élément chauffant et le fourreau n'est pas très bon et un tel élément chauffant avec fourreau ne donne donc pas satisfaction.
Il s'ensuit que les chauffe-eaux à au moins un élément de chauffage sous la forme d'une résistance n'ont pas des rendements très satisfaisants. De plus, ces éléments de chauffage sont uniquement régulés par un thermostat et fonctionnent dans un mode tout ou rien, ce qui n'est pas compatible avec les nouvelles technologies de production d'électricité ou d'installations domotiques et leur association avec de telles installations est inadéquate.
Cette incompatibilité est particulièrement désavantageuse du fait de l'avènement des énergies vertes et de l'utilisation de plus en plus répandue de systèmes intelligents de gestion de l'énergie.
La problématique des énergies vertes du type éolienne ou cellule photovoltaïque est la difficulté de faire correspondre la production et l'utilisation de l'électricité. Une éolienne produira par temps venteux, une cellule photovoltaïque par temps ensoleillé. Il est impossible de faire correspondre le besoin et la production dans ces conditions. La solution consiste à stocker l'énergie, sous forme électrique, dans des batteries par exemple, ou sous forme d'eau chaude dans des chauffe-eaux.
Le chauffe-eau à résistance classique n'est pas bien adapté à cette demande. En effet, la résistance de chauffe est actionnée en tout ou rien, c'est-à-dire soit coupée, soit à puissance maximale.
On connaît du document EP-A2-2420755 un dispositif pour faire bouillir de l'eau. Ce dispositif comporte un circuit de passage d'eau et, autour, un système de chauffage des canalisations du circuit par des bobines d'induction. Cette technique qui cherche essentiellement un chauffage instantané, dispose de bobines autour des tuyaux dans lesquels l'eau est amenée à passer.
Un problème à la base de la présente invention est de proposer un chauffe-eau électrique qui puisse fonctionner sous diverses puissances, présenter un bon rendement tout en pouvant être aisément associé à des systèmes intelligents de maîtrise de l'énergie extérieurs au chauffe-eau.
Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un dispositif de chauffage par induction, destiné à coopérer avec un chauffe-eau, comprenant un générateur de puissance et un module inductif formé d'au moins un inducteur et d'au moins une charge, l'inducteur étant configuré pour générer un courant induit dans la charge, caractérisé en ce que l'inducteur et au moins une charge sont configurés pour être plongeant dans le corps de chauffe du chauffe-eau.
Plus précisément le chauffe-eau comprend un corps de chauffe et un dispositif de chauffage par induction, comprenant un générateur de puissance et un module inductif comprenant au moins un inducteur et au moins une charge, le au moins un inducteur étant configuré pour générer un courant induit dans la charge, caractérisé en ce que ledit au moins un inducteur et au moins une charge sont agencés plongeant dans le corps de chauffe. L'effet technique est de garantir un échange thermique direct entre le module inductif composé d'un inducteur et d'au moins une charge avec l'eau contenue dans le chauffe-eau. L'échauffement inévitable de l'inducteur, entraînant des pertes, est récupéré et sert aussi à chauffer l'eau contenue dans le chauffe-eau. Le placement de l'inducteur dans l'eau n'est pas une solution naturelle pour un technicien moyen.
Ainsi, on entend par plongeant que l'inducteur et la charge sont immergés et donc en contact avec l'eau présente dans le corps de chauffe. De manière avantageuse, un espace intermédiaire entre inducteur et charge permet la présence d'eau entre ces deux composants.
Le chauffe-eau selon l'invention pourra en outre présenter au moins facultativement l'une quelconque des caractéristiques suivantes :
- le module inductif comprend comme inducteur au moins une bobine et ladite au moins une charge comprend est sous la forme d'une plaque de charge, le plan de symétrie de la au moins une bobine et le plan de la plaque étant sensiblement parallèles,
- la au moins une bobine du module inductif est sensiblement aplatie et préférentiellement est entourée sur chacune de ses faces par une plaque de charge,
- il comprend deux charges agencées plongeantes dans le corps de chauffe,
- la au moins une bobine présente une forme oblongue,
- chaque plaque de charge est sensiblement rectangulaire et présente des bords longitudinaux recourbés vers la au moins une bobine, les plaques de charge délimitant au moins partiellement entre elles une forme parallélépipédique,
- au moins une plaque de charge présente une pluralité de trous traversant facilitant la circulation de l'eau au travers de ladite plaque de charge,
- le module inductif comprend comme inducteur au moins un circuit imprimé de puissance,
- le module inductif comprend comme inducteur au moins une bobine de la forme d'un solénoïde et ladite au moins une charge comprend un tube agencé de manière concentrique avec la au moins une bobine,
- il comprend deux charges plongeantes dans le corps de chauffe, une charge externe agencée de sorte à entourer l'inducteur et une charge interne agencée de sorte à être entourée par l'inducteur,
- au moins un tube de charge présente une pluralité de trous traversants facilitant la circulation de l'eau au travers dudit tube de charge,
- le module inductif comprend comme inducteur au moins une bobine de la forme d'un solénoïde, - ladite au moins une charge comprend au moins un élément conducteur électrique mobile maintenu dans le champ magnétique de la au moins bobine,
- ladite au moins une charge comprend au moins une bille mobile maintenue dans le champ magnétique de la au moins bobine par une cage préférentiellement agencée de manière concentrique avec la au moins une bobine,
- la cage à billes est configurée pour permettre le brassage des billes,
- il comprend un matériau isolant électriquement enveloppant ledit au moins un inducteur,
- il comprend un matériau étanche à l'eau enveloppant ledit au moins un inducteur,
- le matériau étanche à l'eau et le matériau isolant électriquement forme une même enveloppe,
- l'enveloppe est une coque surmoulée autour dudit au moins un inducteur,
- l'enveloppe est en plastique, en résine composite,
- ladite au moins une charge du module inductif est conductrice de l'électricité et préférentiellement possède une perméabilité magnétique avantageusement une perméabilité magnétique relative élevée.
- ladite au moins une charge est configurée pour se déformer lors de la chauffe ou est revêtue d'un composant alimentaire possédant des propriétés antiadhésives, de sorte à limiter le dépôt de tartre sur ladite au moins une charge lors de son chauffage,
- il comprend un support de l'au moins un inducteur du module inductif agencé entre ledit au moins un inducteur et au moins une charge,
- le générateur de puissance présente une interface équipée d'un module de communication intégré au générateur, ledit module permettant le contrôle à distance des paramètres de chauffage tels que la puissance, le temps de chauffage, le déclenchement ou l'arrêt du chauffage.
- le générateur de puissance est agencé à l'extérieur du corps de chauffe,
- ladite au moins une charge est dans un matériau à un point de Curie inférieur à une température prédéterminée maximale pour l'eau du chauffe-eau et de préférence inférieur à 100° C,
- le support traverse le chauffe-eau par une trappe, le support comprenant une première partie portant l'inducteur, plongeant dans le corps de chauffe, et une seconde partie prolongeant la première partie à l'extérieur du corps de chauffe vers le générateur de puissance, avantageusement la première partie présentant une plus grande largeur que la seconde partie et butant contre une plaque de fermeture recouvrant la trappe, ladite plaque de fermeture présentant une ouverture suffisante pour le passage de la seconde partie,
- la plaque de fermeture comprend un connecteur pour recevoir un conduit d'arrivée d'eau à chauffer,
- le module inductif est agencé avec son axe longitudinal suivant l'axe longitudinal définissant la longueur du corps de chauffe par exemple sur au moins une longueur entre un huitième et la moitié de ladite longueur dudit corps de chauffe,
- le chauffe-eau, est un chauffe-eau dit plat, avec un corps de chauffe sensiblement parallélépipédique,
- il comprend une pluralité de canaux longitudinaux juxtaposés et connectés fluidiquement entre eux, au moins un des canaux longitudinaux recevant le module inductif du dispositif de chauffage par induction,
- le module inductif est agencé de manière centrale relativement à l'épaisseur et à la largeur du corps de chauffe,
- pour son refroidissement, le générateur à induction échange avec une zone de passage de l'eau vers ou dans le corps de chauffe,
- le module inductif délimite entre l'inducteur et ladite au moins une charge un passage d'eau, ledit inducteur soumettant l'eau à un champ magnétique prévenant le dépôt de tartre sur ladite au moins une charge,
- le corps de chauffe a une contenance supérieure à 10 litres et préférentiellement 20 litres.
Suivant un autre aspect, l'invention concerne une charge d'un module inductif suivant les différents modes de réalisation tels que décrits ci-après.
Suivant un autre aspect, l'invention concerne un module inductif comprenant une charge et un inducteur suivant les différents modes de réalisation tels que décrits ci-après.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
la figure 1 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale d'une forme de réalisation d'une partie d'un chauffe-eau selon la présente invention, le chauffe-eau étant plat en étant muni d'un dispositif de chauffage par induction. Il est cependant à garder à l'esprit que le chauffage par induction peut se faire avec d'autres formes de chauffe-eau qu'un chauffe-eau plat notamment cylindrique. la figure 2 est une représentation schématique d'une vue de face d'un chauffe-eau selon un mode de réalisation de l'invention, le chauffe-eau étant plat en étant muni d'un dispositif de chauffage par induction, la figure 3 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale en perspective d'une forme de réalisation d'un chauffe-eau selon la présente invention, le chauffe-eau étant plat en étant muni d'un dispositif de chauffage par induction,
la figure 4 est une représentation schématique d'une vue longitudinale en perspective d'une forme de réalisation d'un module inductif avec une bobine de forme oblongue et une plaque de charge sensiblement de forme rectangulaire selon la présente invention,
la figure 5 est une représentation schématique d'une vue en perspective d'un module inductif selon la figure 4 avec deux plaques de charges. Le chauffe-eau illustré aux figures 1 à 3 comprend un corps de chauffe destiné à recevoir un volume d'eau, un conduit d'arrivée d'eau à chauffer 12, un conduit de sortie d'eau chauffée 13 et avantageusement un conduit 12b de purge destiné à permettre le vidage complet du corps de chauffe. Le conduit d'arrivé d'eau à chauffer 12 débouche avantageusement dans la partie inférieure du corps de chauffe, préférentiellement à proximité du module inductif permettant le chauffage de l'eau. Le conduit de sortie d'eau chauffer 13 permet avantageusement de capter l'eau en partie supérieure du corps de chauffe. Avantageusement, le chauffe-eau est du type à accumulation, c'est-à-dire que l'eau n'est pas en circulation dynamique. Le chauffe-eau dispose alors de phases de chauffe et de phase de soutirage d'eau qui sont généralement différentes et non liées.
D'une manière générale, en se référant aux figures 1 à 5, il est rappelé qu'un dispositif 1 de chauffage par induction utilise un générateur de puissance 7 dont le rôle est de transformer le courant basse fréquence du secteur d'alimentation, généralement 50-60 HZ, en haute fréquence. Ce courant sert à alimenter au moins un inducteur 2 sous forme d'au moins une bobine d'induction constituée principalement d'un bobinage conducteur, accessoirement de circuits magnétiques, d'isolants électriques et thermiques.
Le générateur de puissance 7 comprend un circuit imprimé sur lequel sont assemblés différents composants 14 dont des composants de puissance dont les pertes sont émises sous forme de la chaleur. Ces composants de puissance sont fixés thermiquement à un dissipateur préférentiellement en aluminium. Ce dissipateur est configuré pour dissiper la chaleur émise des composants de puissance de sorte à éviter leur surchauffe. Le générateur 7 peut être logé dans un boîtier de réception 17 destiné à le protéger et/ou l'isoler électriquement et/ou l'isoler de l'eau. Le boîtier de réception 17 définit le contour externe du générateur 7 et peut prendre par exemple une forme sensiblement rectangulaire ou bien encore circulaire. Le générateur 7 est relié à l'inducteur 2 par des connecteurs électriques 10.
La bobine 2 parcourue par le courant haute fréquence génère un champ magnétique à fréquence variable dans son environnement proche. La bobine 2 est avantageusement portée par un support 3.
Un objet conducteur de l'électricité, fréquemment appelé charge 4, 5 et plongé dans ce champ variable, est parcouru par des courants induits, dits aussi courants de Foucault, qui vont provoquer son échauffement par effet Joule. Avantageusement, les charges 4, 5 sont sous la forme de plaques de charge entourant l'inducteur 2. Les plaques peuvent être deux plaques distinctes disposées symétriquement par rapport au plan de I'inducteur2 ou bien une pièce unique pliée de sorte à former deux charges symétriques relativement au plan de l'inducteur 2. Les charges 4, 5 sont maintenues à distance de l'inducteur 2 par des espaceurs 6, avantageusement isolants électriques, par exemple répartis aux quatre coins des plaques de charge, 4, 5 de forme avantageusement rectangulaire ou bien en position centrale des charges 4, 5. Les plaques de charge 4, 5 sont avantageusement fixées au support 3.
L'ensemble de l'au moins un inducteur 2 sous forme d'au moins une bobine et d'au moins une charge 4, 5 est appelé module inductif. Dans la description qui suit, le module inductif comporte deux charges 4, 5 et un inducteur 2 sans que cela ne soit aucunement limitatif.
Selon l'invention, l'inducteur 2 est isolé électriquement et isolé de l'eau de sorte à être étanche. Le module inductif comprend un matériau isolant électriquement et un matériau étanche à l'eau. Ils peuvent être un seul et même matériau ou plusieurs matériaux.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le module inductif comprend une enveloppe comportant les propriétés d'étanchéité et d'isolation électrique.
Selon un premier exemple, le bobinage est recouvert d'un isolant haute température pour l'isolation électrique. Il faut en parallèle prévoir une isolation à l'eau pour rendre l'inducteur 2 étanche à l'eau. Le bobinage est par exemple coulé ou surmoulé dans un matériau étanche. Par exemple, une résine Epoxy ou un plastique. Préférentiellement, les matériaux utilisés et avantageusement ceux en contact avec l'eau à chauffer possèdent des caractéristiques alimentaires.
Si le matériau étanche est également un isolant électrique, il n'est pas nécessaire de prévoir un bobinage recouvert d'isolant.
Selon un deuxième exemple, il peut être prévu que le fil de la bobine est lui- même configuré pour être étanche et isolant électrique par exemple un fil destiné à être immergé.
Avantageusement, l'enveloppe de l'inducteur 2 constitue un support 3 de l'inducteur 2. Préférentiellement, le surmoulage permet la réalisation d'un support 3 de diverses formes. Le support 3 présente par exemple une forme de plaque de support de dimensions similaires aux plaques de charges 4, 5. La plaque de support est intercalée entre les plaques de charges sensiblement parallèles les unes aux autres. Préférentiellement, les espaceurs 6 maintiennent les trois plaques 3, 4, 5 espacées.
Le chauffe-eau 8 selon l'invention comprend un corps de chauffe destiné à contenir de l'eau et des moyens de chauffage destinés à chauffer le volume d'eau contenu dans le corps de chauffe.
Un dispositif 1 de chauffage par induction subit des pertes qui peuvent représenter 5 % de la puissance transmise, voire plus si le bobinage de la bobine 2 est réalisé sous des contraintes économiques fortes. Ces pertes contraignent fortement le chauffage prolongé de la cuve servant de corps de chauffe et nécessitent souvent une ventilation du dispositif de chauffage et principalement de son inducteur sous forme d'une bobine. Ceci rend prohibitif le coût d'un tel dispositif s'il est placé à l'extérieur du chauffe-eau en rendant l'utilisation du dispositif bruyante.
Il est aussi nécessaire dans bien des cas de refroidir, par un dissipateur et une ventilation forcée, les composants électroniques dits de puissance du générateur du dispositif. Ceux-ci ont aussi un niveau de perte non négligeable qui contribue à faire baisser le rendement du dispositif.
Pour pallier au moins partiellement les pertes précédemment mentionnées, la présente invention prévoit de loger l'inducteur 2 à l'intérieur du corps de chauffe, préférentiellement directement dans l'eau contenue dans le corps de chauffe, au moins une charge 4 ou 5 étant aussi immergée dans l'eau.
Ceci repose sur le constat que les pertes principales du dispositif 1 de chauffage par induction s'effectuent par l'inducteur 2. De cette façon, l'inducteur 2 et au moins une charge 4, 5 échangent aussi leurs pertes avec l'eau et donc, ces pertes sont récupérées pour le chauffage de l'eau du chauffe-eau 8. L'inducteur peut être similaire à celui employé dans une plaque de cuisson par induction, l'inducteur étant du type bobine plate connue aussi sous la dénomination anglaise de « pan cake ». Ce type de bobine est parfaitement symétrique, à savoir que le champ magnétique est généré également sur les deux faces. Une face est traditionnellement équipée d'un circuit magnétique dont le rôle est de canaliser le champ, généralement inférieur de l'inducteur et de le renvoyer vers la charge, généralement posée sur la partie supérieure de la bobine formant l'inducteur.
En extrapolant ces caractéristiques au dispositif 1 de chauffage par induction selon l'invention et donc en prévoyant comme inducteur 2 une bobine plate générant un champ magnétique sur deux faces, il est ainsi utilisé une charge 4, 5 à chauffer sur chaque face de la bobine plate, ces charges 4, 5 présentant des caractéristiques ferromagnétiques adéquates. Il est ainsi possible de faire l'économie d'un circuit magnétique dans l'inducteur 2.
On entend par plate ou aplatie que l'épaisseur de la bobine est moindre que ces autres dimensions notamment longueur, largeur. La bobine présente donc deux faces opposées et parallèles. De manière avantageuse, la bobine est de forme oblongue. Elle présente une longueur supérieure à sa largeur.
Ceci permet aussi d'augmenter plus précisément de doubler, la surface d'échange et donc de diminuer les densités de puissance, permettant un meilleur échange de l'énergie avec l'eau. L'inducteur 2 et ses charges 4, 5, dont l'une au moins préférentiellement les deux sont immergées, sont donc constitués, à titre d'exemple non limitatif, d'une bobine plate centrale et de deux plaques ferromagnétiques 4, 5 couplées magnétiquement avec la bobine 2. Ces deux plaques 4, 5 sont le siège de courants de Foucault quand la bobine 2 est alimentée par le générateur 1 et sont opérationnelles pour le chauffage de l'eau.
Cette configuration possède aussi l'avantage d'être particulièrement fine, par exemple d'une épaisseur de 3 cm, ce qui facilite son intégration dans des formes de chauffe-eau 8 particulières comme des chauffe-eaux plats.
Il peut être possible d'économiser sur le coût du dispositif 1 de chauffage par induction, notamment sur l'inducteur 2. Ceci peut être fait, par exemple, en réalisant le bobinage de façon moins compliqué que ne l'imposent les règles de l'art de conception. Ceci peut être fait en minimisant, par exemple, la section du bobinage ou en réalisant le bobinage en utilisant un conducteur massif, voire un circuit imprimé de puissance. Dans ce cas, les pertes sont plus importantes mais sont calculées pour être acceptables pour le dispositif 1 sachant qu'elles se transmettent à l'eau et donc se transforment en énergie récupérée.
Il peut être envisagé d'autres formes de bobine 2 d'induction qu'une bobine plate à induction sur ses deux faces. Une bobine 2 pouvant être utilisée dans le cadre de l'invention peut être sous forme d'un solénoïde avec des charges interne et/ou externe, pour faire en sorte que les charges servent aussi de circuits magnétiques comme dans le cas de deux plaques 4, 5 de charge.
La ou les charges 4, 5 sont sous forme de tube avantageusement de section circulaire s'étendant sensiblement sur la totalité de la hauteur de l'inducteur 2. Les tubes de charges 4, 5 sont agencés concentriques avec la bobine solénoïde.
Un tube de charge interne est agencé à l'intérieur de la bobine et un tube de charge externe est agencé à l'extérieur de la bobine. La charge interne est entourée par la bobine tandis que la charge externe entoure la bobine.
Comme pour les plaques, les tubes de charges 4, 5 sont préférentiellement troués pour améliorer la circulation d'eau.
Selon une possibilité avantageuse, le tube de charge interne 4, 5 peut être le conduit d'arrivée d'eau à chauffer 12 plongeant dans le corps de chauffe. Avantageusement, le conduit d'arrivée d'eau à chauffer 12 permet le support du module inductif : de l'inducteur 2 et de la au moins une charge immergée 4,5.
Pour faciliter l'assemblage du chauffe-eau, le conduit d'arrivé d'eau à chauffer 12 est solidaire de la plaque de fermeture 1 1 de la trappe 9 de visite du chauffe-eau.
Pour permettre un refroidissement du générateur 7, le conduit d'arrivé d'eau à chauffer 12 est avantageusement en liaison thermique avec le dissipateur supportant les composants 14 de puissance du générateur 7.
Les charges 4, 5 sont en matériaux conducteurs électriques soit magnétiques, soit amagnétiques.
Les matériaux magnétiques pour les charges 4, 5 sont plus avantageux à chauffer que des matériaux non magnétiques.
II est aussi possible de réaliser les charges 4, 5 en matériau conducteur et amagnétique de faible épaisseur, ces matériaux conducteurs, amagnétiques et de faible épaisseur, par exemple en aluminium, de l'ordre de 100 micromètres, étant préférentiellement accolés a un support non magnétique et non conducteur assurant leur tenue mécanique.
Les charges 4, 5 peuvent posséder des formes ou des états de surface particuliers permettant, d'une part, d'améliorer l'échange thermique avec l'eau et, d'autre part, d'optimiser le couplage avec la bobine 2 d'induction, tout en évitant au maximum le dépôt de tartre.
Selon une possibilité préférée, les plaques de charge 4, 5 sont sensiblement planes et comprennent une pluralité de trous traversants de quelques millimètres. Les trous traversants améliorent la circulation d'eau et donc les échanges de chaleur autour du module inductif sans perdre en efficacité.
Il faut considérer dans ce cas que les charges 4, 5 deviennent les éléments chauffants et donc que le tartre a tendance à se déposer sur les charges 4, 5 et non sur la bobine 2. Ce phénomène est cependant minimisé car, pour une puissance donnée, la densité de puissance est bien moindre et donc la surface est moins chaude. . Il faut aussi noter que le risque de casse de l'élément chauffant par surchauffe disparaît car les charges 4, 5 sont purement passives et ne peuvent être affectées par une surchauffe éventuelle.
Le point de Curie étant la température à partir de laquelle la perméabilité magnétique d'un matériau ferromagnétique passe à μτ = 1 : le matériau devient amagnétique, le phénomène d'induction agit jusqu'au point de Curie des matériaux constituant les charges 4, 5. Il peut ainsi être avantageux de réaliser les charges 4, 5 dans un matériau possédant un bas point de Curie préférentiellement inférieure à 100°C, par exemple 90°C ou moins, ce qui est simplement illustratif et non limitatif.
Dans ce cas, l'inducteur 2 chauffe indirectement les charges 4, 5 de charge tant que la température de celles-ci ne dépasse pas 100°C. Au-delà de cette température, le matériau passe son point de Curie et devient amagnétique ce qui entraîne que le flux magnétique de la bobine n'est plus canalisé dans la charge ayant pour conséquence une diminution très forte de la partie active de l'impédance de la bobine rendant impossible le fonctionnement du générateur. Le chauffage ne reprend qu'après refroidissement et passage de la température du matériau des charges 4, 5 en dessous du point de Curie, c'est-à-dire dans sa zone ferromagnétique.
La réalisation des charges 4, 5 dans un tel matériau ferromagnétique à bas point de Curie peut permettre une sécurité thermique absolue et supplémentaire pour l'inducteur 2 et le dispositif 1 de chauffage le contenant.
Il est aussi possible d'optimiser la forme, le matériau et/ou la fixation des charges 4, 5 de façon à ce que celles-ci se déforment en chauffant, ces déformations empêchant ou évacuant les dépôts de tartre qui auraient pu les recouvrir. Des matériaux déformables par exemple à mémoire de forme peuvent être utilisés. Enfin, il peut aussi être intéressant de réaliser un traitement de surface permettant d'assurer la compatibilité des charges 4, 5 aux normes alimentaires et de minimiser les dépôts de tartre grâce à des propriétés anti-adhésives.
D'une manière générale et notamment selon un mode de réalisation intégrant un inducteur 2 sous forme de solénoïde avec des charges 4-5 interne et/ou externe de section circulaire, il peut être prévu que les charges 4-5 soient au moins en partie sous la forme d'au moins une élément conducteur électrique mobile maintenu dans une zone correspondant avantageusement au moins partiellement à la zone d'action du champ de l'inducteur 2. Le au moins un élément conducteur est préférentiellement libre de mouvement dans cette zone. Le au moins un élément conducteur est avantageusement configuré pour être mis en mouvement par les flux d'eau dans le corps de chauffe, plus précisément dans la zone d'action du champ de l'inducteur 2. Pour mettre en mouvement le au moins un élément, il est préféré que le conduit d'arrivée d'eau à chauffer 12 soit placé sous l'inducteur 2 de sorte que l'introduction d'eau dans le corps de chauffe assure le brassage de l'au moins un élément. Ce brassage limite le dépôt de calcaire et facilite éventuellement son décrochage notamment par l'entrechocage de l'au moins un élément avec un autre au moins élément ou bien avec son moyen de maintien décrit ci-après. Le au moins élément est de forme et/ou de propriétés limitant l'accrochage du calcaire et/ou facilitant son décrochage. Le au moins un élément est maintenu dans la zone d'action du champ de l'inducteur 2 par un moyen de maintien par exemple par un axe sur lequel le au moins un élément est mobile suivant au moins un degré de liberté ou par exemple par une cage délimitant la zone dans laquelle le au moins un élément doit être maintenu et le laissant libre de mouvement suivant tous les degrés de liberté.
Selon un mode de réalisation le au moins un élément est au moins une bille.
Préférentiellement, les charges 4, 5 sont des billes maintenues dans une zone avantageusement correspondant au moins partiellement à la zone d'action du champ de l'inducteur 2. Cette zone est préférentiellement définie par une cage, par exemple à base de nappes grillagées électriquement, conductrices ou non, conformées pour définir un volume de réception des billes.
Les billes sont par exemple en matériaux ferromagnétiques qui chauffent sous l'effet du champ induit par l'inducteur 2. Les billes peuvent être de diverses formes : de section circulaire, cylindrique ou autre. Les billes d'une même charge 4, 5 peuvent être de formes différentes. Les billes sont configurées pour permettre d'une part de réaliser une charge donc un chauffage par induction adéquat, d'autre part de minimiser l'incrustation de tartre et éventuellement faciliter son décrochage. La cage est configurée pour permettre un mouvement des billes et notamment leur entrechoquement. La forme même des billes avantageusement de section circulaire, limite le dépôt de tartre. De plus les chocs entre les billes facilitent l'élimination du tartre déposé. Préférentiellement, la cage de chaque charge 4 -5 est dans un matériau non conducteur de sorte à ne pas chauffer et ne pas risquer d'être entartré. La cage est configurée pour permettre un échange thermique des billes avec l'eau le plus efficace possible.
Par exemple, les billes sont maintenues dans une zone annulaire concentrique à la bobine.
Selon un mode de réalisation dans lequel au moins une charge 4, 5 est sous forme de cage à billes interne agencée à l'intérieur de l'inducteur sous forme de solénoïde, la cage interne est avantageusement formée par le solénoïde. Les billes sont placées dans le volume intérieur définit par le solénoïde, les extrémités du solénoïde sont fermées par une paroi préférentiellement une grille dont le maillage est inférieure à la plus petite section des billes de sorte à maintenir les billes tout en laissant passer le tartre éventuel se décrochant des billes ainsi que pour assurer une bonne circulation de l'eau autour des billes.
Préférentiellement, la cage à bille externe est formée d'au moins une grille tubulaire entourant l'inducteur 2.
Selon une possibilité préférée, les charges 4-5, sont solidarisées à la plaque de fermeture 1 1 , de même que l'inducteur 2, de sorte à faciliter la mise en place et le retrait du module inductif.
La structure de ces charges 4 -5 est avantageuse car elle facilite la circulation de l'eau autour et dans le module inductif.
Les billes ont une taille par exemple de l'ordre de 15 mm. Chaque charge 4 -5 peut être composée de 10 à 30. La surface d'échange est au moins comparable à celle d'une charge de forme rectangulaire.
Il est préféré que les billes soient légères pour faciliter leur brassage. De plus, le phénomène de l'induction se produit sur une épaisseur dite « de peau ». On peut ainsi réduire l'épaisseur du matériau conducteur de l'au moins un élément conducteur.
La suite de la description est faite en référence à la bille sans que cela n'induise de limitation. Une bille peut être pleine ou creuse avec seulement une enveloppe de matériau conducteur. La charge peut être composée de billes de nature différente.
Pour les matériaux magnétiques, une épaisseur de 0,5 mm pour un diamètre de bille de 15mm et une fréquence de champ de 20 KHz est suffisant, le cœur étant creux ou en matériau préférentiellement plus léger que le matériau conducteur. Pour les matériaux amagnétiques, il est préféré que la bille comprenne une enveloppe conductrice amagnétique de faible épaisseur de sorte à ne pas ramener une impédance inadaptée sur l'inducteur. Dans ce cas, il est préféré, que l'épaisseur de l'enveloppe soit inférieure à l'épaisseur de la peau, à titre d'exemple préféré de l'ordre de 1/10 de l'épaisseur de la peau. Le cœur est creux ou en matériau non conducteur et préférentiellement plus léger que le matériau conducteur.
Les billes ferritiques sont soumises simultanément à la fréquence considérée, à un effet d'attraction lié à leur perméabilité magnétique et à un effet de répulsion lié aux courants induits, la résultante étant quasi nulle. Par contre, les billes amagnétiques dont la couche conductrice est d'une épaisseur d'environ 1/10 de l'épaisseur de peau ne sont soumises qu'à la force de répulsion liée aux courants induits dite force de Laplace. Cette force peut être, suivant le poids des billes, suffisante pour provoquer leur déplacement et leur entrechocage ayant un effet détartrant, ce phénomène étant accentué s'il est cumulé au flux d'eau généré par la sortie du conduit d'eau à chauffer 12.
Selon l'état de la technique, il existe de nombreux modes de réalisation d'antitartres magnétiques, soit à aimants permanents, soit à bobines créant des champs magnétiques variables dans des gammes de fréquence pouvant atteindre 100kHz. Les appareils antitartres électroniques utilisant ces principes, bien que coûteux, restent de puissance modeste, pas plus que quelques dizaines de Voltampères et génèrent des champs faibles de quelques dizaines d 'Ampère/mètre.
Par contre, l'inducteur 2 immergé, utilisé dans le dispositif 1 selon la présente invention, est d'une puissance forte de plusieurs milliers de Voltampères et génère des champs particulièrement élevés, supérieurs à 1000 Ampère/mètre dans l'entrefer de l'inducteur 2 et des charges 4, 5 et dans les mêmes gammes de fréquence de 20 à 50 kHz. Il peut donc être intéressant de faire en sorte que l'arrivée d'eau froide ou simplement un passage d'eau se fasse entre les charges 4, 5, de façon à ce que l'eau passe dans un champ magnétique intense. Le champ magnétique intense peut alors agir sur les ions en suspension dans l'eau et provoquer un effet de non déposition de ces ions sur les éléments chauds, c'est-à-dire un effet anti précipitation du calcaire en tartre. Il peut donc s'agir d'une conséquence bénéfique consécutive à l'adoption de l'inducteur 2 immergé dans le chauffe-eau 8, ce qui n'est cependant pas l'effet principal recherché.
Il est possible de forcer le passage de l'eau entre les charges 4, 5 en réalisant des géométries particulières, par exemple, en pliant un des côtés des plaques 4, 5, de façon à ce que les deux plaques 4, 5 en vis-à-vis forment une sorte de boîte rectangle au centre de laquelle est disposée la bobine 2 d'induction et dans laquelle passe l'eau froide d'arrivée du chauffe-eau 8.
Une forme fermée de ce genre peut aussi avoir un intérêt dans le cadre d'utilisation de cuves servant de corps de chauffe non métalliques ou en matériaux composites. Dans ce cas, il convient de canaliser au mieux le champ magnétique émis par le bobinage. Une géométrie fermée permet avantageusement une canalisation des flux magnétiques et donc une plus grande facilité pour répondre aux normes relatives aux perturbations électromagnétiques.
L'intérêt d'un inducteur 2 immergé dans l'eau du chauffe-eau 8 est aussi d'avoir à disposition un système électronique complet permettant par exemple :
- une régulation très fine de température par l'intermédiaire d'au moins un capteur immergé du type NTC (Négative Température Curve), c'est-à-dire sous forme d'une thermistance dont la résistance diminue avec la température. En alternative, il peut être utilisé un capteur PTC (Positive Température Curve), c'est-à-dire sous forme d'une thermistance dont la résistance augmente avec la température. La température peut alors être régulée avec des cycles prédéfinis de chauffage, voire une anticipation de demande d'eau chaude à des moments particuliers prédéfinis ou calculés par apprentissage ; en effet, les chauffe-eau existants sont en effets équipés de thermostats qui sont réglés en usine ou par l'installateur une fois pour toute et qui ne sont pas réglables par l'utilisateur. Or on sait que plus l'eau est chaude, plus le niveau de perte par refroidissement naturel est important, il peut donc être intéressant, dans un objectif de minimisation des pertes, de non seulement planifier les chauffes par apprentissage en fonction des besoins, mais aussi, de régler suivant ces besoins, la ou les températures du corps de chauffe à des valeurs optimales.
- de connaître et de contrôler finement les puissances injectées sur un ou plusieurs inducteurs 2.
Ce dernier avantage est particulièrement important dans le cas des nouvelles énergies et de leurs utilisations. Il est en effet, d'une part, possible de communiquer rapidement avec les systèmes de gestion d'énergie pour faire correspondre l'énergie prélevée à l'énergie disponible et, d'autre part, de réguler finement l'énergie jusqu'à des puissances très faibles et/ou très fortes, ceci en conservant un rendement élevé.
Un inducteur 2 immergé dans l'eau du chauffe-eau 8 est particulièrement avantageux par rapport à un inducteur qui chauffe directement la cuve servant de corps de chauffe. En effet, il permet d'isoler électriquement les charges 4, 5 réceptrices d'énergie de la cuve servant de corps de chauffe et donc de la terre et, de ce fait, de réduire significativement les dimensions des filtres électroniques chargés d'éliminer le rejet des composantes hautes fréquences vers le secteur d'alimentation ou la terre.
Il peut être possible d'appliquer aux composants électroniques 14 du générateur de puissance le même principe que pour l'inducteur 2, à savoir solidariser au plus près ces composants d'un dissipateur minimaliste relié thermiquement à la cuve servant de corps de chauffe et donc à l'eau.
Quand l'eau du chauffe-eau 8 est froide, la demande de puissance est maximale et donc l'énergie demandée est alors forte, sollicitant les composants 14 du générateur 7 de puissance qui sont alors maintenus en dessous d'environ 100°C. L'eau est alors régulée pour ne jamais dépasser 60°C par exemple en bas de cuve et sert donc d'excellent dissipateur pour les pertes des composants 14 du générateur 7 qui participent alors, mais d'une façon moindre que l'inducteur 2, au rendement du dispositif de chauffage.
Quand l'eau commence à être chaude, l'effet de dissipation est moindre mais la demande en énergie aussi et donc, il est encore possible de refroidir efficacement ces composants 14 du générateur 7 de puissance. Ceci permet une réduction significative du dissipateur et une suppression de la ventilation traditionnellement utilisée pour le générateur 7 de puissance dans les dispositifs 1 de chauffage par induction domestiques.
A titre d'exemple illustratif et non limitatif, l'invention a été appliquée à un chauffe-eau 8 de 100 litres. Dans le dispositif 1 de chauffage par induction, l'inducteur 2 est un onduleur de type demi-pont série d'une puissance maximale de 3 700 Watt correspondant à un courant de 16 Ampère sous 230 Volt.
L'inducteur 2 est, à titre illustratif et non limitatif, une bobine plate de dimensions 55 x 340 x 4 mm, positionnée verticalement dans le chauffe-eau 8. La bobine plate 2 est constituée de 24 tours de fil émaillé multibrins assurant la première isolation électrique, le nombre de tours et la distance avec les plaques 4, 5 permettant de ramener sur le générateur 7 de puissance à résonance une impédance compatible avec la puissance à transmettre.
Avantageusement, la bobine d'induction est un bobinage d'un toron de fil divisé ou d'un conducteur massif en cuivre ou en aluminium. Le bobinage est par exemple ensuite surmoulé dans un matériau isolant électrique permettant d'assurer l'isolation nécessaire au composant immergé, ce matériau en contact avec l'eau possédant par ailleurs des caractéristiques alimentaires. Un composant du type NTC est positionné au centre du bobinage et surmoulé avec celui-ci. Il assure, en tant que capteur, la lecture de la température qui va permettre une régulation fine de l'inducteur 2. Il est facile de gérer plusieurs capteurs multiplexés et donc d'avoir une information de température précise a plusieurs endroits dans ou hors du corps de chauffe ou des composants dans ou hors du corps de chauffe
Deux plaques ferritiques, d'épaisseur pouvant avantageusement varier entre 6/12 et 12/10 et étant pliées à 90° sur un coté de façon à former un parallélépipède lorsqu'elles sont montées face à face, sont positionnées de part et d'autre du bobinage inducteur à une distance de 6 mm permettant le passage de l'eau entre les plaques 4, 5 et l'inducteur 2. Avantageusement, les dimensions des plaques 4, 5 sont de 380 mm x 270 mm.
Selon un mode de réalisation préféré, les charges 4, 5 sont solidarisées au support 3, avantageusement plastique ou composite, lui-même étant avantageusement au moins en butée ou solidarisé à la plaque de fermeture 1 1 de la trappe 9 de visite du chauffe-eau 8, de façon à ce que les charges 4, 5 soient électriquement flottantes.
L'inducteur 2 et avantageusement le capteur de température sont reliés électriquement par des connecteurs électriques 10 au générateur 7, avantageusement solidarisé de l'autre côté de la plaque de fermeture 1 1 de la trappe 9 et donc hors du chauffe-eau 8. Les composants 14 de puissance du générateur 7 peuvent être thermiquement reliés à la plaque de fermeture 1 1 de la trappe 9 et donc peuvent aussi dissiper leur chaleur à l'eau de la cuve servant de corps de chauffe.
Le générateur 7 est relié à une interface de commande positionnée en partie frontale du chauffe-eau 8 et pouvant afficher de façon optionnelle les paramètres de fonctionnement et d'état du chauffe-eau 8 et du réseau électrique. Cette interface est par exemple équipée d'un module de communication avec un réseau de communication local. Un tel réseau permet d'échanger les informations de consommation du chauffe-eau 8 avec le système central de gestion d'énergie électrique et aussi d'être piloté par ce système.
Le dispositif 1 de chauffage par induction selon la présente invention est disposé près de et dans la partie inférieure médiane du chauffe-eau 8, le générateur 7 étant disposé à l'extérieur, avantageusement en dessous du chauffe-eau 8 quand celui s'étend verticalement.
L'inducteur 2 du dispositif 1 , relié au générateur 7 par des raccordements électriques 10, de même que sa plaque support 3, sont disposés à l'intérieur du chauffe-eau 8 en pénétrant dans ledit chauffe-eau 8 par la trappe 9 prévue dans la partie inférieure médiane du chauffe-eau 8.
Une possibilité avantageuse est de proposer un kit induction, à savoir, une plaque de fermeture 1 1 de la trappe 9 supportant d'un côté le module inductif et de l'autre côté, le générateur de puissance 7. L'équipement du chauffe-eau par des moyens de chauffage à induction peut ainsi être effectué sans intervention aucune sur la mécanique du chauffe-eau, juste par l'introduction du Kit. Par exemple, le générateur de puissance 7 peut être rond ou rectangulaire, articulé autour du tube d'arrivé d'eau froide 12 et solidaire de la plaque de fermeture 1 1.
La forme oblongue de la bobine et plus généralement du module inductif facilite son montage et démontage dans le corps de chauffe par la trappe 9 de dimensions les plus restreintes améliorant la résistance à la pression du chauffe-eau.
La forme ronde de la bobine solénoïdale et de ses charges sous forme de billes contraintes à se déplacer dans une zone confinée soumise au champ de la bobine d'induction, la cage, possède aussi une forme facilitant montage et démontage du module inductif dans le corps de chauffe.
Les différentes variantes relatives au module inductif et aux charges ne sont pas exclusives et peuvent être combinées.
Selon une possibilité préférée, l'arrivée d'eau à chauffer 12 dans le corps de chauffe est agencée à l'aplomb du module inductif. Cette disposition permet une arrivée d'eau dans la zone de chauffage ce qui améliore la circulation de l'eau. Préférentiellement, le conduit d'arrivée d'eau à chauffer 12 est agencé sur la plaque de fermeture 1 1 .
L'inducteur 2 s'étend sur une partie de la longueur du chauffe-eau 8.
L'inducteur est agencé en partie inférieure du chauffe-eau. A titre d'exemple non limitatif, l'inducteur 2 représente au maximum la moitié de la longueur du chauffe-eau, préférentiellement entre un huitième et un quart de la longueur du chauffe-eau 8.
Selon un mode de réalisation, le support 3 de l'inducteur 2 présente une première partie 3b, surmoulée autour de la bobine par exemple plate formant l'inducteur 2, partie 3b qui est destinée à être complètement introduite dans le chauffe- eau 8, la bobine par exemple plate formant l'inducteur 2 étant recouverte par son enveloppe.
Comme précédemment mentionné, à l'intérieur de la bobine formant l'inducteur 2, avantageusement à mi-longueur de la bobine, il peut être prévu au moins un capteur de température, par exemple du type NTC ou du type PTC, ce capteur de température étant immergé à l'intérieur du chauffe-eau 8 et délivrant des valeurs de température transmises au générateur 7 du dispositif 1 .
Le support 3 présente aussi une seconde partie 3a, moins large que la première partie 3b, cette seconde partie 3a se trouvant à l'extérieur du chauffe-eau 8 et prolongeant la première partie 3b en direction du générateur 7 en ne portant que les raccordements électriques 10. La jonction entre première 3b et seconde 3a parties de plus faible largeur présente par exemple des épaulements 15 latéraux.
La trappe 9 peut présenter par exemple une forme extérieure rectangulaire qui la différencie sensiblement de la trappe généralement de forme circulaire pour le passage de la résistance électrique dans un chauffe-eau de l'état de la technique. La trappe 9 est fermée par au moins une plaque de fermeture 1 1 , fixée à la trappe 9 par des moyens de solidarisation amovibles du type vis en intercalant avantageusement entre elles un joint d'étanchéité. La plaque de fermeture 1 1 présente une ouverture rectangulaire centrale juste suffisante pour le passage de la seconde partie 3a de la plaque support 3 à travers elle, les épaulements 15 portés par la première partie 3b de la plaque support 3 à sa jonction avec la seconde partie 3a arrivant en butée interne contre la plaque de fermeture 1 1. La plaque de fermeture 1 1 peut être solidarisée au support 3 directement lors du surmoulage de la bobine 2 par un matériau plastique.
Le chauffe-eau selon l'invention comprend des moyens d'échanges thermiques. Avantageusement, l'échangeur de chaleur est un échangeur avec passage d'eau, préférentiellement d'eau à chauffer, par exemple l'eau d'alimentation du chauffe-eau 8 passant par au moins un conduit d'arrivée 12 d'eau à chauffer.
Les moyens d'échange thermiques selon l'invention comprennent le dissipateur sur lequel les composants de puissance sont reliés thermiquement. Selon une possibilité, le dissipateur comprend une portion formant une enveloppe pour évacuer la chaleur produite lors du fonctionnement du générateur 7, ceci avec le chauffe-eau 8. Pour ce faire, il est prévu un circuit de circulation de l'eau en direction du corps de chauffe. On entend par enveloppe une interface entre le circuit de circulation de l'eau et les composants de puissance. L'enveloppe s'entend comme le dissipateur entourant le circuit de circulation de l'eau en direction du corps de chauffe. Le circuit de circulation est préférentiellement relié au conduit d'arrivée 12 d'eau à chauffer.
Selon une possibilité représentée, l'enveloppe se réduit à un manchon 16 coopérant avec une partie du conduit d'arrivée 12 d'eau à chauffer. L'enveloppe peut être en liaison thermique avec le circuit de circulation d'eau ou bien constituer le circuit de circulation d'eau. Dans ce dernier cas, l'eau circule directement dans l'enveloppe.
Selon une possibilité, l'ensemble comprend un circuit complémentaire. Un piquage d'eau peut être prévu à partir du conduit d'arrivée 12 pour former un circuit de circulation d'eau complémentaire à l'intérieur du boîtier 17.
II peut être prévu, sans que le manchon 16 ne serve à l'évacuation de chaleur hors du générateur 7 en étant remplacé par un autre moyen d'échange de chaleur ou en complément avec un tel échange de chaleur, que le manchon 16 ait comme fonction respectivement principale ou additionnelle de fixer le boîtier 17 du générateur 7 par rapport à un conduit d'arrivée 12 d'eau, ce qui est avantageux pour le maintien du boîtier 17.
Pour son refroidissement, le générateur 7 de puissance est solidarisé thermiquement au chauffe eau, plus précisément, le dissipateur supportant les composants de puissance du générateur 7.
Selon un mode de réalisation préféré, le générateur 7 et plus précisément le dissipateur est isolé thermiquement de sorte à limiter les échanges thermiques avec l'air extérieur et à concentrer les échanges thermiques avec la zone de passage de l'eau vers ou dans le corps de chauffe.
D'autres configurations d'échange de chaleur entre le générateur de puissance 7 et l'eau à chauffer du chauffe-eau 8, c'est-à-dire contenue ou arrivant au corps de chauffe 8, sont aussi possibles.
Par exemple, de manière alternative ou additionnelle au circuit de circulation d'eau, le générateur 7 peut être accolé à l'extérieur du corps de chauffe sur une zone non isolée thermiquement, un échangeur de chaleur étant avantageusement agencé entre le corps de chauffe et le générateur 7, plus précisément le dissipateur est relié thermiquement au corps de chauffe..
Dans une alternative, la zone non isolée thermiquement du corps de chauffe est la plaque de fermeture 1 1. Les composants de puissance du générateur 7 peuvent être thermiquement reliés à la plaque de fermeture 1 1 de la trappe 9 décris ci-après, préférentiellement par l'intermédiaire du dissipateur, et dissipant leur chaleur indirectement à l'eau contenue dans le corps de chauffe. Dans cette alternative combinée à la présence du circuit de circulation d'eau, le conduit d'arrivée d'eau à chauffer 12 peut être solidarisé sur la plaque de fermeture 1 1. Le conduit d'arrivée d'eau à chauffer 12 est préférentiellement en aluminium et permet un échange thermique amélioré.
Par exemple, de manière alternative ou additionnelle, le générateur de puissance 7 peut être agencé plongeant dans le corps de chauffe du chauffe-eau 8, ceci avec ou sans un échangeur de chaleur agencé entre l'eau contenue dans le corps de chauffe et le générateur 7.
Selon une variante, seul le dissipateur est agencé plongeant dans le corps de chauffe, le reste du générateur 7 étant à l'extérieur du corps de chauffe. Il y a une conduction directe entre le dissipateur et l'eau. A titre d'exemple, une pièce unique en aluminium anodisé s'étendant à l'extérieur et à l'intérieur peut faire office de raccordement au conduit d'eau à chauffer 12, de dissipateur pour les composants de puissance, de support à l'extérieur pour le générateur de puissance, de support à l'intérieur du module inductif. L'avantage de cette pièce unique est qu'elle cumule la fonction de dissipateur par conduction et convection par le passage d'eau à chauffer.
Le refroidissement du générateur 7 est possible même selon le mode de réalisation comprenant un circuit d'eau en direction du corps de chauffe et ceci même en l'absence de remplissage du corps de chauffe grâce à la convection. En effet, l'échange de chaleur produit par les moyens d'échange réchauffe l'eau de la zone de passage et refroidit le générateur 7 localement, plus précisément le dissipateur, l'eau de la zone de passage réchauffée va subir des mouvements de convection l'éloignant de la zone de passage et rapprochant de l'eau à plus basse température créant un flux convectif. Avantageusement, cet effet est renforcé par l'agencement du générateur 7 en dessous de la cuve du chauffe-eau et le mouvement de l'eau chaude qui monte vers la cuve. Selon une possibilité préférée, les moyens d'échange sont positionnés au plus près du corps de chauffe
Les figures 1 à 3 montrent une coupe longitudinale de la partie inférieure d'un chauffe-eau 8 sous la forme d'un chauffe-eau dit plat. Ce chauffe-eau plat, c'est-à-dire de forme sensiblement parallélépipédique, comprend un conduit d'arrivée 12 d'eau à chauffer et un conduit de purge 12b ainsi qu'un conduit de sortie d'eau à chauffer 13. Dans le chauffe-eau 8 s'étendent dans toute la longueur du chauffe-eau 8 des parois intercalaires 19 régulièrement espacées, par exemple quatre parois intercalaires 19 pour le chauffe-eau 8.
Ces parois intercalaires 19 présentent une largeur équivalente à l'épaisseur du chauffe-eau 8 délimitant ainsi des canaux longitudinaux pour le passage de l'eau entre elles. C'est dans un tel canal, préférentiellement celui qui est médian au chauffe- eau 8, que se trouve un module inductif 2 du dispositif 1 de chauffage par induction.
Les parois intercalaires 19 présentent des ouvertures 20 à intervalles réguliers faisant communiquer deux canaux longitudinaux adjacents entre eux. Ces parois intercalaires 19 servent ainsi au renfort du chauffe-eau 8 ainsi qu'à la circulation de l'eau dans le corps de chauffe.
Avantageusement, le module inductif est placé dans le corps de chauffe de sorte que son épaisseur soit orientée suivant l'épaisseur du corps de chauffe-eau. Dans le mode de réalisation avec des canaux et des parois intercalaires 19 munies d'ouvertures 20, le module inductif ainsi placé facilite la circulation d'eau au travers de l'ouverture 20 et autour des plaques de charges 4, 5. Dans une autre forme de réalisation, avantageusement, les canaux longitudinaux correspondent à plusieurs cuves. Par exemple, le chauffe-eau 8 peut être composé de trois cuves servant de corps de chauffe élémentaires cylindriques. Avantageusement, ces cuves présentent une section sensiblement équivalente à la section d'un canal longitudinal.
REFERENCES . Dispositif
. Inducteur
. Support
a. Première partie
b. Seconde partie
. Charge
. Charge
. Espaceur
. Générateur
. Chauffe-eau
. Trappe
0. Raccordement électrique
1 . Plaque de fermeture
2. Conduit d'arrivée
b. Purge
3. Conduit de sortie
4. Composants
5. Epaulement
6. Manchon
7. Boîte
9. Paroi intercalaire
0. Ouverture

Claims

REVENDICATIONS
1 . Chauffe-eau (8) comprenant un corps de chauffe et un dispositif de chauffage par induction, comprenant un générateur (7) de puissance et un module inductif comprenant au moins un inducteur (2) et au moins une charge (4, 5), le au moins un inducteur (2) étant configuré pour générer un courant induit dans la au moins une charge (4, 5), caractérisé en ce que le au moins un inducteur (2) et au moins une charge (4, 5) sont agencés plongeant dans le corps de chauffe de sorte à pouvoir être immergés dans l'eau du chauffe-eau.
2. Chauffe-eau (8) selon la revendication précédente dans lequel le module inductif comprend comme inducteur au moins une bobine (2) et ladite au moins une charge (4, 5) comprend une plaque de charge (4, 5), le plan de symétrie de la au moins une bobine (2) et le plan de la plaque (4, 5) étant sensiblement parallèles.
3. Chauffe-eau (8) selon la revendication précédente dans lequel la au moins une bobine (2) du module inductif est aplatie et est entourée sur chacune de ses faces par une plaque de charge (4, 5).
4. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des deux revendications précédentes dans lequel la au moins une bobine (2) présente une forme oblongue.
5. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des 2 revendications précédentes dans lequel chaque plaque de charge (4, 5) est rectangulaire et présente des bords longitudinaux recourbés vers la au moins une bobine (2), les plaques de charge (4, 5) délimitant au moins partiellement entre elles une forme parallélépipédique.
6. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des quatre revendications précédentes dans lequel au moins une plaque de charge (4, 5) présente une pluralité de trous traversant facilitant la circulation de l'eau au travers de ladite plaque de charge (4, 5).
7. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'inducteur comprend une bobine (2) sous la forme d'un solénoïde.
8. Chauffe-eau (8) selon la revendication 1 dans lequel le module inductif comprend comme inducteur (2) au moins un circuit imprimé de puissance.
9. Chauffe-eau (8) selon la revendication 1 dans lequel le module inductif comprend comme inducteur (2) au moins une bobine de la forme d'un solénoïde et ladite au moins une charge (4, 5) comprend un tube agencé de manière concentrique avec la au moins une bobine.
10. Chauffe-eau (8) selon la revendication précédente comprenant deux charges (4, 5) plongeantes dans le corps de chauffe, une charge externe agencée de sorte à entourer l'inducteur (2) et une charge interne agencée de sorte à être entourée par l'inducteur (2).
1 1 . Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des deux revendications précédentes dans lequel au moins un tube de charge (4, 5) présente une pluralité de trous traversants facilitant la circulation de l'eau au travers dudit tube de charge (4, 5).
12. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 dans lequel ladite au moins une charge (4, 5) comprend au moins un élément conducteur électrique mobile maintenu dans le champ magnétique de la au moins une bobine.
13. Chauffe-eau (8) selon la revendication précédente dans lequel ledit au moins un élément conducteur électrique mobile comprend au moins une bille mobile maintenue dans le champ magnétique de la au moins bobine par une cage.
14. Chauffe-eau (8) selon la revendication précédente dans lequel la cage à billes est configurée pour permettre le brassage des billes.
15. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un matériau isolant électriquement enveloppant ledit au moins un inducteur (2).
16. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un matériau étanche à l'eau enveloppant ledit au moins un inducteur (2).
17. Chauffe-eau (8) selon les deux revendications précédentes dans lequel le matériau étanche à l'eau et le matériau isolant électriquement forme une même enveloppe.
18. Chauffe-eau (8) selon la revendication précédente dans lequel l'enveloppe est une coque surmoulée autour dudit au moins un inducteur (2).
19. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un support (3) dudit au moins un inducteur (2) du module inductif agencé entre ledit au moins un inducteur et au moins une charge (4, 5).
20. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une charge (4, 5) est configurée pour se déformer lors de la chauffe ou est revêtue d'un composant alimentaire possédant des propriétés antiadhésives, de sorte à limiter le dépôt de tartre sur ladite au moins une charge (4, 5) lors de son chauffage.
21 . Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le générateur (7) de puissance est agencé à l'extérieur du corps de chauffe.
22. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une charge (4, 5) est dans un matériau à un point de Curie inférieur à une température prédéterminée maximale pour l'eau du chauffe-eau (8) et de préférence inférieur à 100°C.
23. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps de chauffe est parallélépipédique.
24. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le module inductif est agencé avec son axe longitudinal suivant l'axe longitudinal définissant la longueur du corps de chauffe sur au moins une longueur entre la moitié et un huitième de ladite longueur dudit corps de chauffe.
25. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité de canaux longitudinaux juxtaposés et connectés fluidiquement entre eux, au moins un des canaux longitudinaux recevant le module inductif du dispositif (1 ) de chauffage par induction.
26. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le module inductif est agencé de manière centrale relativement à l'épaisseur et à la largeur du corps de chauffe.
27. Chauffe-eau (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel le module inductif délimite entre l'inducteur (2) et ladite au moins une charge (4, 5) un passage d'eau, ledit inducteur (2) soumettant l'eau à un champ magnétique prévenant le dépôt de tartre sur ladite au moins une charge (4, 5).
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