Brevet FR2509842A1 — publié le 19830121

La présente invention concerne, d'une maniè- re générale, un système de climatisation tel qu'un système de chauffage, de conditionnement d'air e t de pressurisation pour un espace clos tel qu'une cabine d'aéronef; plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de contrôle de température et de pres- sion pour ce système. Un système de climatisation pour des encein- tes telles qu'une cabine d'aéronef ou analogues, doit être à même d'assurer le chauffage, le conditionnement d'air et la pressurisation de la cabine afin de mainte- nir le confort des passagers dans les diverses condi- tions climatiques de température et de pression rencon- trées par l'aéronef Dans les aéronefs propulsés par des turbines à gaz, l'air pour le système est habituel- lement fourni en purgeant une partie de la sortie de la section de compresseur de la turbine Cet air comprimé est spécifiquement à une température se situant dans l'intervalle allant de 93 à 2880 C et il constitue dès lors une source commode d'air chaud lorsque les condi- tions climatiques sont telles qu'un chauffage de la ca- bine est requis Dans les systèmes de climatisation, on utilise fréquemment un système de réfrigération au fréon ou à recyclage d'air en vue de refroidir l'air de purge du compresseur lorsque les conditions climatiques sont telles qu'un refroidissement de la cabine est re- quis. Jusqu'à présent, pour réaliser un système de climatisation ayant à la fois des capacités de chauffa- ge et de refroidissement, la pratique adoptée a consis- té à scinder l'écoulement de purge du compresseur, une partie de cet écoulement étant refroidi par le système de réfrigération, tandis que le reste est amené en déri- vation par rapport à celui-ci, pour être ensuite recom- biné avec l'air réfrigéré, avant d'être déchargé dans la cabine Spécifiquement, on utilise une soupape dans le courant d'air de dérivation en vue de régler le débit massique de ce dernier, cette soupape se fermant pour limiter l'écoulement de dérivation vers la cabine lorsqu'un refroidissement de l'air de cet- te dernière est requis, tandis qu'elle s'ouvre pour permettre, à l'écoulement de dérivation, d'annihiler l'écoulement d'air réfrigéré lorsque la cabine doit être chauffée On utilise fréquemment un venturi li- miteur d'écoulement pour limiter l'écoulement total traversant le système en direction de la cabine afin d'éviter une purge excessive de la turbine. Les systèmes de la technique antérieure pré- sentent plusieurs inconvénients Par exemple, du fait que l'écoulement d'air réfrigéré n'est pas en lui-même contrôlé, le chauffage de la cabine est fré- quemment tout à fait inefficace, si bien que des quantités excessives d'air de purge chaud doivent être mises en dérivation par rapport à la section de réfri- gération en vue de compenser le refroidissement de l'air dans cette dernière Bien que cet écoulement excessif puisse être empêché par un dispositif limiteur d'écoulement tel qu'un venturi ou analogues, un tel dispositif donne lieu à une importante perte de charge dans le système, ce qui contribue davantage à accentuer les déficiences du système De même, on comprendra que l'écoulement incontrôlé d'air réfrigéré en direction de la cabine exerce une influence défavorable sur l'aptitu- de du système à chauffer la cabine A titre d'exemple, à de basses altitudes, un refroidissement exige un dé- bit nettement plus élevé qu'un chauffage à hautes alti- tudes Toutefois, avec ces systèmes de climatisation de la technique antérieure, si un écoulement d'air opti- mum à travers le système est obtenu lors d'un refroi- dissement à basse altitude, un chauffage à des altitu- des plus élevées peut nécessiter un débit sensible- ment supérieur à celui qui pourrait être nécessaire si l'air précédemment réfrigéré ne devait pas être chauffé, ce qui provoque le gaspillage d'importantes quantités d'air de purge et altère le rendement de la turbine. Certains des inconvénients précités des sys- tèmes de climatisation de la technique antérieure pour- raient être atténués en prévoyant des soupapes sépa- rées pour régler à la fois le débit d'air réfrigéré et le débit d'air chaud de dérivation Dans le bre- vet des Etats-Unis d'Amérique N O 2 562 918 au nom de Hynes, on décrit cette utilisation de soupapes de ré- glage séparées Toutefois, dans ce brevet, la pres- sion régnant dans la cabine est réglée par une soupape qui, plutôt que de maintenir la pression de la cabine sur la base des conditions requises pour assurer le confort des passagers, maintient une pression constan- te à l'entrée de la soupape de réglage de débit d'air de dérivation, si bien que la pressurisation de la ca- bine est basée uniquement sur la température demandée, ce qui constitue un inconvénient associé aux systèmes de la technique antérieure décrits ci-dessus Dès lors, avec des systèmes tels que celui décrit dans le brevet précité de Hynes, il est possible qu'une dimi- nution de la température de décharge du compresseur de la turbine survenant pour l'une ou l'autre raison et qui s'accompagned'une demande de refroidissement accrue, donne lieu à une augmentation du débit d'air de dériva- tion plutôt que du débit à travers le système de réfri- gération o un débit accru pourrait être des plus uti- les De plus, les soupapes de réglage de débit d'air de dérivation et de débit d'air de refroidissement uti- lisées dans le système de Hynes ne présentent qu'une lé- gère simultanéité de fonctionnement En d'autres ter- mes, à l'exception de circonstances limites, un ré- glage d'une de ces soupapes ne peut assurer le régla- ge de l'autre soupape Dès lors, si, au départ d'un réglage particulier, un refroidissement plus intense est souhaité, cette demande pourrait être satisfaite non pas par la fermeture effective de la soupape de réglage de débit d'air de dérivation avec une ouvertu- re simultanée de la soupape de réglage de débit d'air de réfrigération, mais bien par la fermeture de la sou- pape de dérivation seule, d'o incapacité à assurer l'accroissement du débit d'air froid requis. En conséquence, un objet principal de la pré- sente invention est de fournir un système de climati- sation dans lequel la température de sortie requise est maintenue pratiquement indépendamment de la pres- sion de sortie du système. Un autre objet est de fournir un système de climatisation dans lequel les réglages relatifs au refroidissement ne sont pas altérés par le débit d'air chaud. Un autre objet de la présente invention est de fournir un système dans lequel les réglages relatifs au chauffage ne sont pas altérés par le débit d'air ré- frigéré à travers le système. Un autre objet encore de la présente inven- tion est de fournir un système dans lequel on utilise un écoulement de purge minimum du compresseur de la turbine pour safisfaire efficacement aux exigences re- latives à la température et à la pressurisation de la cabine d'un aéronef. Suivant la présente invention, op réalise ces objets en prévoyant des soupapes de réglage, une de ces soupapes réglant le débit de l'air à travers un élé- ment de réfrigération ou de conditionnement d'air, tan- dis que l'autre règle le débit de l'air qui contourne l'élément de réfrigération, les soupapes étant mises en phase et synchronisées de telle sorte qu'un chan- gement survenant dans le réglage de l'une s'accompagne d'un changement proportionnel opposé dans le réglage de l'autre De la sorte, lorsqu'un chauffage ou un refroidissement plus intense est requis, la soupape correspondante s'ouvre, assurant ainsi un débit accru de l'air chaud ou froid requis avec, en même temps, une réduction du débit de l'air ayant la température opposée Une autre soupape règle la pression d'alimen- tation totale du système en réponse à la pression am- biante et indépendamment de la température instantanée requise de la cabine, si bien que les réglages de tem- pérature n'altèrent pas les réglages de pression et vice versa En conséquence, le système de climatisa- tion de la présente invention permet d'utiliser l'air de purge de la turbine de la manière la plus efficace, tout en maintenant des conditions optima à la fois en ce qui concerne la température et la pression. Dans les dessins annexés: la figure 1 est une représentation schémati- que du système de climatisation de la présente inven- tion; la figure 2 est une représentation graphique des caractéristiques opératoires d'une soupape de ré- glage de pression utilisée dans le système; et la figure 3 est une représentation graphique des caractéristiques opératoires des soupapes de ré- glage de température utilisées dans le système. En se référant à la figure 1, le système de climatisation de la présente invention désigné d'une manière générale par le chiffre de référence 10 com- prend une conduite ou une canalisation d'alimentation principale 15 dont l'extrémité de gauche débouche dans un espace clos tel qu'une cabine d'aéronef (non repré- sentée), la température et la pression régnant dans cet espace clos devant être contrôlées par ce système. L'admission d'air au système a lieu par l'extrémité de droite de la canalisation 15 et elle est assurée par une source appropriée telle que la section de compres- seur d'une turbine à gaz Le système comprend une pre- mière soupape de réglage 20 (régulation de pression) montée dans la canalisation 15, le réglage de cette soupape permettant de contrôler la section transversa- le effective de cette canalisation et, partant, le dé- bit de l'air qui y circule au départ de la source pré- citée Comme le montre le dessin, la soupape 20 est une soupape à papillon comportant un pignon 25 monté sur l'arbre de la soupape et venant s'engrener dans une crémaillère 30 reliée au mécanisme de commande 35 de la soupape En variante, la soupape 20 peut être ac- tionnée par une manivelle de façon bien connue dans la technique Le mécanisme de commande 35 comprend des premier et second cylindres 40 et 45 dans lesquels sont logés des premier et second pistons 50 et 55 respective- ment Les pistons 50 et 55 sont solidarisés au moyen d'une tige 60, le plus petit piston 50 étant étanché dans le cylindre 40 par un segment 65, tandis qu'il est relié à la crémaillère 30 par n'importe quel moyen ap- proprio tel qu'une bielle 70 Le plus grand piston 55 est étanché dans le cylindre 45 par une membrane rou- lante 75 Le côté gauche du piston 50 communique avec la canalisation 15 à proximité de l'entrée d'air du sys- tème via une conduite 80 Le piston 55 communique avec l'entrée du système via une conduite 85, laquelle commu- nique avec la conduite 80 via un orifice 90 et un cla- pet sphérique 95 actionné par un solénoïde 100 et nor- malement éloigné de son siège 105 Une partie de l'air circulant dans la conduite 85 en est continuellement purgé via un embranchement 107 comportant, dans son ex- trémité, un orifice 110 dont la section effective est réglée sélectivement par un volet 115. Dans des conditions d'équilibre, le côté gau- che du piston 50 est sollicité par la pression d'air régnant en amont de la soupape à papillon 20, laquelle pousse ce piston vers la droite avec une force propor- tionnelle à cette pression De la même manière, le piston 55 est sollicité par la pression d'admission d'air du système et il est ainsi poussé vers la gauche, l'air purgé via l'embranchement 107 compensant le plus grand diamètre de ce piston 55, de telle sorte que les deux pistons exercent des forces généralement égales et opposées l'un sur l'autre En conséquence, à une pression d'admission constante du système, les pistons restent en équilibre et la soupape 20 se maintient à un réglage particulier. Le piston 50 est le premier à être influencé par un changement survenant dans la pression d'admis- sion du système, par exemple, une élévation de la pres- sion de décharge du compresseur, l'orifice 90 retardant les effets exercés sur le piston 55 par cette élévation de la pression de décharge du compresseur Dès lors, cette élévation de pression déséquilibre les forces exercées sur les pistons 50 et 55, la pression accrue agissant tout d'abord sur le piston 50 pour déplacer les deux pistons vers la droite, provoquant ainsi un mouvement de translation de la crémaillère 30 qui a pour effet de fermer partiellement la soupape 20 Fi- nalement, après le retard dû à l'orifice 90, la pres- sion accrue apparaît également à l'intérieur du cylin- dre 45, augmentant ainsi la force exercée sur le pis- ton 55 pour empêcher un mouvement complémentaire du piston 50 et de la soupape 20, ce qui a pour effet de rétablir l'équilibre du système avec l'air purgé par l'orifice 110. La soupape 20 est sensible à la pression ambiante (altitude), ainsi qu'à la pression d'admis- sion du système Toujours en se référant à la figu- re 1, le volet 115 est monté sur un pivot 117 et il est actionné par un mécanisme de commande 120 Ce mécanisme de commande 120 comprend des cylindres 125 et 130 dans lesquels sont logés des pistons 135 et respectivement, chacun de ces pistons étant étan- ché dans le cylindre correspondant par une membrane roulante Le volet 115 est également sollicité par un ressort 145 qui le pousse à la fois contre un soufflet sous vide 150 réagissant à la pression am- biante (PAMB) et contre le piston 135 Ce piston 135 communique, via la conduite 160, avec l'écoulement ayant lieu dans le système en aval de la soupape 20, tandis que le piston 140 communique avec l'écoulement d'aval via cette conduite 160 et une conduite 165 dans laquelle est prévu un étranglement 170. Dans des conditions d'équilibre, la pression - réglée (PREG) du système reste constante à une pression ambiante (altitude) constante Toutefois, à me-sure que l'altitude varie, la pression ambiante varie égale- ment, si bien que la pression de sortie du système doit être réglée En conséquence, tout changement sur- venant dans la pression ambiante donne lieu à un chan- gement correspondant de la force exercée sur le souf- flet sous vide 150 et, partant, à un réglage du volet qui augmente ou réduit l'ouverture effective (écou- lement de purge) de l'orifice 110 Il en résulte à son tour un réglage de la pression exercée sur le piston 55, avec un déséquilibre des forces appliquées sur le méca- nisme de commande 35 en vue de régler la soupape régu- latrice de pression 20 dans une position correspondant à la pression de sortie requise du système Le change- ment survenant dans la pression réglée apparaît immédia- tement dans le cylindre 125 et agit sur le piston 135 pour compenser le changement survenant dans la force exercée sur le volet 115 suite au changement de la pression ambiante La pression réglée agit en- suite sur le piston 140 via la canalisation 165 et l'étranglement 170 en vue de régler à nouveau l'ouver- ture effective de l'orifice 110, permettant ainsi d'équilibrer les forces exercées sur les côtés opposés des pistons 50 et 55 en stabilisant par la même occa- sion le mouvement de la soupape à papillon 20. L'effet exercé par l'altitude sur le fonction- nement de la soupape 20 est illustré en figure 2; com- me le montre cette figure, la pression réglée PREG en aval de la soupape 20 diminue suite à la fermeture de la soupape 20 en réponse à une altitude croissante. Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus et comme illustré en figure 2, à des altitudes plus élevées auxquelles l'air de la cabine doit être chauffé, une pressurisa- tion nettement moindre est requise comparativement à des altitudes plus basses auxquelles un refroidisse- ment suffisant ne peut être obtenu que par élévation de la pression de la cabine. Le déplacement du solénoïde 100 dans sa posi- tion de fermeture a pour effet de détendre, via l'ori- fice 110, la pression exercée sur le piston 55, permet- tant ainsi, à la pression d'air régnant dans le cylin- dre 40, de pousser le piston 50 vers la droite, fermant ainsi la soupape 20 en vue de mettre le système hors service. Dès lors, on constate que le système de clima- tisation de la présente invention assure une régulation de pression indépendamment de tout réglage de tempéra- ture au moyen de la première soupape de réglage 20 et de son mécanisme de commande 35 De la même manière, suivant la présente invention, une régulation de tempé- rature est assurée indépendamment de la régulation de pression et ce, au moyen d'une deuxième et d'une troisième soupape de réglage 175 et 180 disposées dans la canalisation de refroidissement 183 et la ca- nalisation de dérivation 185 respectivement Comme le montre le dessin, la canalisation de refroidisse- ment 183 peut constituer un prolongement de la cana- lisation 15 et elle renferme un élément de réfrigéra- tion ou un module de conditionnement d'air 190 de n'im- porte quel type approprié, par exemple, un des diffé- rents systèmes de réfrigération au fréon ou à recycla- ge d'air connus dans la technique L'air acheminé à travers la canalisation 183 est refroidi dans le modu- le de conditionnement d'air en vue d'être déchargé dans la cabine de l'aéronef L'air acheminé dans la canali- sation 185 reste pratiquement à la température qu'il avait lors de son introduction dans le système, il con- tourne le module de conditionnement d'air et se mélange avec l'air réfrigéré se trouvant en aval de ce dernier, avant d'être déchargé dans la cabine. La température de l'air déchargé du système de la présente invention est déterminée par le réglage des deuxième et troisième soupapes de réglage 175 et 180. Un dispositif de contrôle de température de cabine 195 tel qu'un thermostat ou analogues, détecte la-tempéra- ture de la cabine, il compare cette température avec une température souhaitée et il envoie alors des signaux à un mécanisme de commande commun 200 qui règle les sou- papes 175 et 180 en vue de satisfaire aux demandes de ce dispositif de contrôle Le mécanisme de commande com- mun 200 assure un fonctionnement synchronisé des soupa- pes 175 et 180 à l'intervention d'un tringlage 210 com- prenant des biellettes de commande de soupapes 215 et 220 solidarisées chacune rigidement, par une de leurs extrémités, à l'arbre de la soupape de réglage corres- il pondante, tout en étant articulées, par leur extrémi- té opposée, à une des biellettes principales 225 et 230 On constate que le fonctionnement du mécanisme de commande 200, en l'occurrence, la rotation d'un bras 205, donne lieu à un mouvement généralement ver- tical des biellettes principales 225 et 230, ainsi qu'à un mouvement de pivotement des biellettes de com- mande de soupapes 215 et 220, assurant ainsi le ré- glage des soupapes 175 -et 180 Comme le montre le des- sin, les soupapes sont non seulement synchronisées, mais également mises en phase de telle manière qu'un réglage de l'une par le mécanisme de commande 200 en- traîne un réglage simultané et proportionnel, mais opposé de l'autre. Suivant la présente invention et comme illus- * tré en figure 3, suite à la mise en phase et à la syn- chronisation des soupapes, la résistance effective à l'écoulement (somme des sections effectives) de la con- duite de dérivation 185 (y compris de la soupape 180) et de la conduite d'air froid 183, y compris du module de conditionnement d'air 190 et de la soupape 175, res- te à peu près constante au cours des différents régla- ges des soupapes 175 et 180. En figure 3, la courbe 235 indique la section effective de la conduite de dérivation etde lasoupape 180 pour di- verses positions du mécanisme de commande (réglages de cette soupape 180) La section effective de la condui- te de refroidissement 183 et de la soupape 175 pour diver- ses positions du mécanisme de commande (réglages de cet- te soupape 175) est indiquée par la courbe 240. De la courbe 240, est soustrait l'étranglement effectif du module de conditionnement d'air représenté par la courbe 245 afin d'obtenir la courbe 250 qui re- présente la section effective de la conduite 183, de la soupape 175 et du module de conditionnement d'air 190 pour toutes les positions du mécanisme de commande. Il est à noter que la section effective-totale est la somme des courbes 235 et 250, soit la courbe 255 qui représente une valeur pratiquement constante En con- séquence, pour tous les réglages du mécanisme de com- mande, l'écoulement à travers le système reste prati- quement constant C'est ainsi que, à une altitude constante, les réglages de la température de la cabine peuvent être effectués sans modifier le débit d'entrée d'air dans cette dernière Comme le montre le dessin, les soupapes sont réglées pour assurer un refroidisse- ment maximum, la soupape 180 étant fermée et la soupa- pe 175, complètement ouverte A titre d'exemple, lors de la mise en service, un signal émis par le dispositif de contrôle de température 195 et qui représente une demande de température de cabine plus élevée, déclen- che le mécanisme de commande 200, ce qui a pour effet de faire tourner le bras 205 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre en imprimant un mouvement géné- ralement ascendant aux biellettes 225 et 230, faisant ainsi pivoter les biellettes 215 et 220 généralement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre en ten- dant à fermer la soupape 175 et à ouvrir en même temps la soupape 180 Dès lors, on constate qu'une demande de température de cabine plus élevée donne lieu non seulement à une augmentation du débit de dérivation, mais également à une réduction proportionnelle du dé- bit à travers le module de conditionnement d'air En conséquence, aucun des débits à travers les conduites 180 et 183 ne doit annihiler l'autre, tandis que la température désirée est obtenue par conservation de l'air de purge de la turbine et stabilisation de la pression de la cabine. 13 - REVENDICATIONS 1 Système de climatisation comprenant une source d' air sous pression, un élément ( 190) destiné à refroidir une partie de cet air, ainsi qu'une conduite ( 185) communi- quant avec la source d'air sous pression pour mettre le reste de l'air sous pression en dérivation par rapport à 1 ' élément de refroidissement, caractérisé en ce qu'il com- prend également: une première soupape ( 20) destinée à régler le débit d'air total fourni par la source précitée en réponse à 1 ' altitude, indépendamment de la température; une deuxième soupape de réglage ( 175) disposée en sé- rie par rapport à l'élément de refroidissement' ( 190) en vue de régler le débit de l'air acheminé à ce dernier; et une troisième soupape de réglage ( 180) disposée dans la conduite de dérivation ( 185) pour régler le débit d'air à travers cette dernière; les deuxième et troisième soupapes ( 175,180) réagis- sant à la température de l'écoulement d'air indépendamment de la pression, tandis qu'elles sont synchronisées et mises en phase de telle manière qu'un réglage de l'une au départ de n'importe quelle position entraîne un réglage simultané et proportiellement opposé de l'autre, permettant ainsi de régler indépendamment le débit et la température de l'écou- lement combiné à travers l'élément de refroidissement ( 190) et la conduite de dérivation ( 185). 2 Système de climatisation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance totale à l'écoule- ment de l'élément de refroidissement ( 190) et des deuxième et troisième soupapes de réglage ( 175,180) est pratiquement constante pour tous les réglages de ces soupapes. 3 Système de pressurisation et de conditionnement d' air suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la mise en phase des deuxième et troisième soupapes de régla- ge ( 175,180) est étudiée de telle sorte qu'une de ces sou- papes soit complètement ouverte lorsque l'autre est com- plètement fermée. 4 Système de pressurisation et de conditionnement d'air suivant la revendication 1, caractérisé en ce que 14 - les deuxième et troisième soupapes de réglage ( 175,180) sont actionnées par un seul mécanisme de commande ( 200).