Brevet FR2050223A1 — publié le 19710402

L'invention est relative aux procédés et dispositifs de régulation de la température de paroi froide d'une installation à thermo-éléments qui comprend au moins un thermo-élément, inter- posé entre deux parois, et une source de courant continu alimen- tant ce thermo-elément de manière à obtenir une différence de température entre les deux susdites parois (paroi froide et paroi chaude), des moyens étant prévus pour refroidir la paroi chaude par une circulation de fluide de refroidissement. Jusqu'à ce jour, les procédés et dispositifs connus pour opérer une régulation de la température de paroi froide de telles installations consistaient à mesurer la température de ladite paroi froide, à la comparer à une température de consigne, ete suivant le résultat de cette comparaison, à modifier la valeur de la tension appliquée aux thermo-éléments. Or, en raison de l'inertie thermique du thermo-élément, i existe un décalage important entre l'instant où un écart entre la température de paroi froide et la température de consigne est constaté et l'instant où cet écart est annulé par modification dc la valeur de la tension appliquée au thermo-élément. on conçoit alors qu'un tel décalage est préjudiciable à la précision de la régulation effectuée. La présente invention a pour but de rendre les procédés et dispositifs de régulation de la température de paroi froide d'une installation à thermo-éléments tels qu'ils répondent mieux que jusqu'à ce jour à certains desiderata de la pratique, notamment en ce qui concerne la précision de la régulation, sa simplicité et sa fiabilité. Le procédé conforme à l'invention est caractérisé par le fait qu'on modifie le débit du fluide de refroidissement de sorte que la température de paroi chaude TC subisse des varia- tions périodiques d'amplitude constante prédéterminée #TC d'autant plus réduite que l'on désire obtenir une régulation de la température de paroi froide TF plus précise, la valeur de la température de paroi froide T F subissant alors des variations périodiques dont l'amplitude #TF demeure égale ou inférieure au dixième de la valeur de 11 amplitude tTc. Le dispositif conforme à l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte, des moyens de vannage pour modifier le débit du fluide de refroidissement, et des moyens de commande pour agir sur les moyens de vannage de sorte que la température de paroi chaude TC sabisse des variations périodiques d'amplitude constante prédéterminée #TC, d'autant plus réduite que l'on désire obtenir une régulation de la température de paroi foride TF plus précise, la valeur de la température de paroi froide TF subissant alors des variations périodiques dont l'amplitude #TF demeure égale ou inférieure au dixième de la valeur de l'amplitude #TC. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ce dispositif comporte également des moyens de mesure pour mesurer la température de paroi chaude, les moyens de commande pour agir sur les moyens de vannage étant alors asservis à la température de paroi chaude, de manière à agir sur les moyens de vannage de sorte que la température de paroi chaude subisse les variations périodiques d'amplitude #TC. L'invention consiste, mise à part les dispositions exposées ci-dessus, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Et elle pourra, de toute façon, être bien compreise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ciannexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à un mode de réalisation préféré de l'invention et @e comportent bien entendu, aucun caractère limitatif. La fig. 1, de ces dessins, est une ceupe schématique illustrant le dispositif de régulation conforme à l'invention. La fig. 2 est un schéma électrique relatif à un mode de réalisation particulier du dispositif illustré sur la fig. 1. La fig. 3 représente deux graphiques montrant un premier type de régulation qu'il est possible d'obtenir avec le procédé conforme à l'invention. La fig. 4. enfin, représente deux graphiques montrant un deuxième type de régulation qu'il est possible d'obtenir avec le procédé conforme à l'invention. L'installation à thermo-éléments sur laquelle on se propose d'effectuer une régulation de la température de paroi froide peut comporter, comme montré sur la fig. 1, au moins un thermo-élément, et généralement plusieurs thermo-éléments 1 réunis en module - c'est-à-dire en un ensemble de thermo-éléments connectés en parallèle au point de vue thermique et en série au point de vue électrique -- et interposés entre deux parois, et une source de courant continu 2 alimentant ces thermoéléments 1 de manière à obtenir une différence de température entre les deux susdites parois -- paroi froide 3 et paroi chaude 4. Des moyens sont alors prévus pour refroidir la paroi chaude 4 par une circulation de fluide de refroidissement, circulation que l'on supposera s'effectuer en circuit ouvert, le fluide de. refroidissement pouvant alors être constitué par de l'eau amenée dans une cavité S ménagée dans la paroi chaude 4 par un conduit d'ahanée 6 et évacuée de cette cavité 5 par un conduit d'évacuation 7. Conformément au procédé faisant l'objet de l'invention, on modifie le débit du fluide de refroidissement de-sorte que la température de paroi chaude TC subisse des variations périodiques d'amplitude constante prédéterminée #TC, d'autant plus réduite que l'on désire obtenir une régulation de la température de paroi froide TF plus précise. Et, conformément au dispositif faisant l'objet de l'invention, des moyens de vannage 8 sont prévus pour modifier le débit du fluide de refroidissement, et des moyens de comitande 9 sont prévus pour agir sur les moyens de vannage 8 de sorte que la température de paroi chaude TC subisse des variations périodiques d'amplitude constante pré dterminée # Tc, d'autant plus réduite que l'on désire obtenir une régulation de température de paroi froide TF plus précise. On arrive alors aux résultats remarquables illustrés clai- remuent sur les graphiques faisant l'objet des fig. 3 et 4, graphiques sur lesquels on a porté en abscisse le temps t , exprimé en minutes, et en ordonnée les températures de paroi chaude Tç et de paroi froide TF, exprimées en degrés centigrades. Ces résultats ont été obtenus avec une installation à thermo-éléments, munie du dispositif conforme à l'invention, et qui comporte des modules de thermo-éléments disposés en plusieurs étages connectés en série au point de vue thermique, une telle installation étant décrite dans la demande de brevet FRANCE n 6904001 déposée le 18 février 1969 par la demanderesse pour "Perfectionnements apportés aux appareils de réfrigération à thermo-éléments, et procédé de mise en oeuvre de ces appareils". Selon ces résultats, la valeur de la température de paroi froide TF subit des variations périodiques dont l'amplitude demeure égale ou inférieure au dixième de l'amplitude tTc. Les exemples de régulation montrés suries fig. 3 et 4 concernent une régulation de la température de paroi froide TF autour de O'C. Sur la fig. 3, l'intervalle de variation de température #TC au niveau de la paroi chaude est de 7,5 C entre 15 C et 22,5 C, l'intervalle de variation de température #TF obtenu au niveau de la paroi froide-est de 0,25-C autour de la valeur de consigne O-C. Sur la fig. 4, l'écart de variation de température #TC au niveau de la paroi chaude est de 2,5 C entre 17,5 C et 20 C, l'intervalle de variation de température #TF obtenu au niveau de la paroi froide est de 0,1 C autour de la valeur de consigne 0 C (intervalle pratiquement imperceptible sur le graphique inférieur de la fig. 4). Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, des moyens, de mesure 10 sont prévus pour mesurer la température de paroi chaude Tc,- les moyens de commande 9 agissant sur les moyens de vannage 8 étant alors asservis à la température de paroi chau- de TC, de manière à agir sur les moyens de vannage 8 de sorte que la température de paroi chaude T C subisse les variations pé- riodiques d'amplitude #TC. En ce qui concerne les moyens de vannage 8, ils sont avantageusement du type tout ou rien, c'est-à-dire que lorsque les- dits moyens de vannage 8 sont en position "ouverte" ils autorisent un débit maximum de fluide de refroidissement alors que lorsqu'ils sont en position"fermée", ils autorisent un débit ninimum, qui peut être nul, de fluide de refroidissement. Lorsque la température de paroi chaude TC atteint une va- leur minimum TCm ddtectée par les moyens de mesure 10, les moyens de commande 9 font passer les moyens de vannage 8 de leur position "ouverte" à leur position "fermée". Inversement, lorsque la température de paroi chaude TC atteint une valeur maximum TCM détectée par les moyens de mesure 10, les moyens de commande font passer les moyens de vannage 8 de leur position "fermée" à leur position "ouverte". Dans ces conditions, --la,température de paroi chaude TC décroît pendant que les moyens de vannage occupent leur position "ouverte", et croit pendant que les moyens de vannage occupent leur posistion "fermée". Faute de précautions spéciales, la vitesse de decroissance de la température de paroi chaude TC serait supérieure à sa vi esse de croissance, ce qui occasionnerait une dissymétrie, pre judiciable à la régulation, entre les périodes de décroissance et de crcissance r c la température de paroi chaude TC. Afin d'éviter cette dissymétrie, il est avantageux de dispo- ser, au voisinage de la paroi chaude 4, une résistance de compen- sation 11 alimentée par une source de courant auxiliaire 12,1'ensemble résistance de compensation 1' - source de courant auxili- aire 12 étant tel que la puissance électrique P11 dissipée dans la résistance de compensation 11 provoque une vitesse de crois sance de la température de paroi chaude TC (pendant les périodes où les moyens de vannage 8 occupent leur position "fermée") égale, approximativement au moins, à la vitesse de décroissance de la température de paroi chaude TC (pendant les périodes où les moyens de vannage 8 occupent leur position "ouverte"). Afin de conserver cette égalité entre les vitesses de croissance et de décroissance de la température de paroi chaude TC lorsque la puissance électrique P1 dissipée dans les thermo- éléments 1 varie, c'est-à-dire lorsque la température de paroi froide TC varie, il est avantageux de donner à la puissance éleccrique P11 dissipée dans la résistance de compensation 11 une valeur d'autant puls élevée que la puissance P1 dissipée dans les thermo-éléments 1 est plus faible. Le choix des valeurs des puissances P1 et P11 peut avantageusement être tel que leur soue PT soit constante Dans les tableaux suivants on a résumé différents types de régulation, en fonction des paramètres suivants P1 = puissance électrique dissipée dans les thermo-éléments i, P11 = puissance électrique dissipée dans la résistance de compensation 11 PT = puissance totale, TCm = température de paroi chaude minimale, TCM = température de paroi chaude maximale, #TC = intervalle de variation de température au niveau de la paroi chaude, TF = température de paroi froide, #TF = intervalle de variation de température au niveau de la paroi froide. Le reaier tableau est relatif à un intervalle de variabien de température #TC au niveau de la paroi chaude de @ 5 C. Le @@@@sième tableau est relatif à un intervalle de varle on de température #TC au niveau de la paroi chaude de 2,5 C. TABLEAU I P1 P11 PT TCm TCM #TC TF #TF (watts) (watts) (watts) ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) 4 71 75 15 22,5 7,5 0 13 62 75 15 22,5 7,5 -10 26 49 75 15 22,5 7,5 -20 29 46 75 13 22,5 7,5 -31 TABLEAU II P1 P11 PT TCm TCM #TC TF #TF (watts) (watts) (watts) ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) 4 71 75 17,5 20 2,5 0 13 62 75 17,5 20 2,5 -10 26 49 75 17,5 20 2,5 -20 29 46 75 17,5 20 2,5 -31 En ce qui concerne le rapport entre les @uissances électriques P1 (dissipée dans les thermo-éléments 1) et P11 (dissipée dans les résistances de compensattion 11), il dépend, toutes cheses égales par ailleurs, de la précision que l'on désire @@- tenir pour la regulation de la températur de paroi froide TF. @@@te précision étant d'autant meilleure que, pour une puissance électrique P1 donnée @@@respondant à une température de paroi froide TF donnée, la puissance électrique P11 est plus élevée, Le troisième tableau ci-dessous, reprenant les mêmes notations que les deux tableaux précédents, illustre cette influence de rapport entre P1 et P11 sur la précision de la régulation de l@ température de paroi froide TF. TABLEAU III P1 P11 PT TCm TCM #TC TF #TF (watts) (watts) (watts) ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) 26 59 85 15 22,5 7,5 -20 26 29 55 15. 22,5' 7,5e -20 ::&num; 0,25' 26 14 40 15 22,5 7,5 -20 &num;0,5 Sur la fig. 2, on a représenté en détail le schéma électrique d'un mode de réalisation particulier de l'invention, illustrant plus particulièrement la constitution des moyens de commande 9 qui agissent sur les moyens de vannage 8 et qui sont asservis à la température de paroi chaude TC. Ces moyens de commande 9 sont avantageusement constitués par, -un enregistreur potentiométrique 13 connecté aux moyens de mesure 10 de la température de paroi chaude TC, deux ensembles de détection 14 et 15, comprénant chacun une source lumineuse 16 et une photodiode 17, montés sur un support 18 parallèle à l'échelle 19 de l'enregistreur 13 et disposés de sorte que l'index 20 dudit enregistreur 13 intercepte le faisceau lumineux de chacun des deux ensembles de détection 14 et 15, entre la source lumineuse 16 et la photodiode 17, deux amplificateurs 21 et 22 associés- respectivement aux deux ensembles de détection 14 et 15, deux relais intermédiaires 23 et 24 reliés respectivement aux deux amplificateurs 21 et 22, un relais principal 25 relié aux deux relais intermédiaires 23 et 24, et une électrovanne 26, constituant les moyens de vannage 8, commandée par le relais principal 25. Cette disposition permet un réglage pratique de l'amplitude A TC des variations de la température de paroi chaude TC, réglage qui s'effectue par déplacement des deux ensembles de détection 14 et 15 sur leur support 18. Bien que le mode de réalisation préféré de l'invention concerne un dispositif de régulation dans lequel les moyens de commande 9 sont asservis à la valeur de la température de paroi chaude TC, on peut concevoir,- dans certains cas d'application de l'invention, que lesdits moyens de commande 9 puissent etre constitués par un programmateur agissant directement sur les moyens de vannage 8. Dans ces conditions, ce programmateur pourrait être agencé de manière à tenir compte de certains paramètres de fonctionnement du dispositif, notamment de la toipérature d'entrée du fluide de refroidissement. Finalement, grâce au procédé et au dispositif de régulation de la température de paroi froide d'une installation à thermo- éléments conformes à l'invention, on obtient une régulation précise, simple et fiable. En effet, le maintien de la température de paroi chaude dans une plage assez large permet-d1assurer le maintien de la température de paroi froide dans une plage beaucoup plus étroite, puisque égale ou inférieure au dixième de la plage de teapérature de paroi chaude. Parmi les applications de l'invention, on peut citer ceiles consistant, à condenser des vapeurs de césium ou de mercure dans un caisson dans lequel règne une basse pression (de 1 tordre de 10-4 à 10-7 7 torr) destiné l'essai de propulseurs à vapeurs de césium ou à vapeurs de mercure, la paroi froide de l'installation à thermo-éléments étant disposée entre ledit caisson et des moyens de pompage capables de faire régner la susdite basse pression dans le susdit caisson, à la réfrigération d'échantillons devant être conservés à des basses températures définies avec précision (comme c'est le cas, notamment, en biologie ou en chimie), la paroi froide de 1 ' installation à thermo-éléments constituant tout ou partie du support de ces échantillons, à la réalisation de baffles réfrigérants destinés à la condensation des vapeurs d'huile à l'entrée de pompes à vide à diffusion d'huile, la paroi froide de l'installation à thermo- éléments constituant tout ou partie d'un tel baffle réfrigérant, à la réalisation d'enceintes réfrigérées; la paroi froide de l'installation à-thermo-éléments constituant tout ou partie du générateur de froid de ces enceintes, à la réalisation d'enceintes à température constante, nota ment en vue d'obtenir une température de référence (par exemple pour la soudure froide d'un thermocouple), qui peuvent fonctionner jusqu'à des températures de +50C. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ces qui précède l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procedé de régulation de la température de paroi froide d'une installation à thermo-éléments qui comprend au moins un thermo-élément, interposé entre deux parois, et une source de courant continu alimentant ce thermo-élément de manière à obtenir une différence de température entre les deux susdites parois (paroi froide et paroi chaude), des moyens étant prévus pour refroidir la paroi chaude par une ci@culation de fluide de ref@@i- dissement, caractérisé par le fait qu'on modifie le débit du fluide de refroidissement de sorte que la température de paroi chaude TC subisse des variations périodiques d'amplitude cons tan@e prédéterminée #TC, d'autant plus réduite que l'on désire obtenir une régulation de la température de paroi froide TF plus précise, la valeur de la température de paroi froide TF subissant alors des variations périodiques dont l'amplitude #TF demeure égale ou inférieure au dixième de la valeur de l'amplitude #TC. 2. Dispositif de régulation de la température de paroi froide d'une installation à thermo-éléments qui comprend au moins un thermo-élément, interposé entre deux parois, et une source de courant continu alimentant ce thermo-élément de manière à obtenir une différence de température entre les deux susdite, parois (paroi froide et paroi chaude), des moyens étant prévus pour refroidir la paroi chaude par une circulation de fluide de refroidissement, caractérisé par le fait que 1 @@ dispositif comporte des moyens de vannage 8 pour modifier le débit @@ fluide de refroidissement, et des moyens de commande 9 pour agir sur les moyens de van nage 8 de sorte que la température de paroi chaude TC subisse des variations périodiques d'amplitude c@n@@@nte prédéterminée #TC, d'autant plus réduite que l'on dés@@obtenir @@e régulation de la température de paroi froide TF plus précise la valeur de la température de paroi froide TF subissant alors des variations périodiques cont l'amplitude #TF demeure égale ou inférieure au dixième de la valen de l'amplitude #TC. 3. Dispositif selon la revendication @, caractérisé par le fait que des moyens de mesure 10 sont prévus pour mesurer la température de paroi chaude TC, les moyens, @@ commande 9 agis sont sur les moyens de vannage 8 étant @@@@@@@sse@vo@ à la @@@- pé@ature de paroi chaude TC, de manière @@@@@@@ cu@ les susdite moyens de vannage 8 de sorte que la température @@@ paroi chaude TC subisse les variations périodiques d'amplitude ATC 4.Dispositif selon la revendication 2, caractérisé parle fait que les moyens de vannage 8 sont du type tout ou rien, de sorte que lorsque lesdits moyens de vannage 8 sont en- position "ouverte" ils autorisent un débit maximum de fluide de refroidis- sement, alors que lorsque les susdits moyens de vannage 8 sont en position "fermée" ils autorisent un débit minimum (qui peut etre nul) de fluide de refroidissement. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'une résistance de compensation 11, alimentée par une source de courant auxiliaire 12, est disposée au voisinage de la paroi chaude 4, l'ensemble résistance de compensation 11 - source de courant auxiliaire 12 étant tel que la puissance électrique P1i dissipée dans la résistance de compensation 11 provoque une vitesse de croissance de la température de paroi chaude.TC (pendant les périodes où les moyens de vannage 8 occupent leur position fermée) égale, approximativement au moins, à la vitesse de décroissance de la température de paroi chaude TC (pendant les périodes où les moyens de vannage 8 occupent leur position ou verte) 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la puissance électrique P11 dissipée dans la résistance de compensation 11 a une valeur d'autant plus élevée que la puissance P1 dissipée dans les thermo-éléments 1 est plus faible. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la somme PT des puissances P1 et P11 est constante. 8. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les moyens de commande 9 sont constitués par, un enregistreur potentiométrique 13 connecté aux moyens de mesure 10 de la température de paroi chaude TC, deux ensembles de détection 14 et 15, comprenant chacun une source lumineuse 16 et une photodiode 17, montés sur un support 18 parallèle à l'échelle 19 de 1'enregistreur 13 et disposés de sorte que l'index 20 dudit enregistreur 13 intercepte le faisceau lumineux de chacun des deux ensembles de détection 14 et 15, entre la source lumineuse 16 et la photodiode 17, deux amplificateurs 21 et 22 associés respectivement aux deux ensembles de détection 14 et 15, deux relais intermédiaires 23 et 24 reliés respectivement aux deux amplificateurs 21 et 22, un relais principal 25 relié aux deux relais intermédiaires 23 et 24, et une électrovanne 26, constituant les moyens de vannage 8, commandée par le relais principal 25. 9. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens de commande 9 sont constitués par un program- mateur agissant directement sur les moyens de vannage 8, ce programmateur pouvant être agencé de manière à tenir compte de certains paramètres de fonctionnement du dispositif, instamment de la température d'entrée du fluide de refroidissement.