Brevet FR2510243A2 — publié le 19830128

FR 2510243 A2 19830128 FR 8113595 A 19810710 La demande de brevet principal numéro 7916850 déposée le 29 auin 1979 concerne un détecteur de gel qui est aussi un détecteur de dégel, et qui est utilisé pour la protection automatique contre le gel de capteur d'énergie solaire. Le détecteur de gel suivant la demande de brevet principal est extérieur au capteur d'énergie solaire, il comporte un échangeur de chaleur avec l'atmosphère qui est solidaire d'un petit récipient plein d'eau; et un dispositif sensible à l'une des différences entre les propriétés physiques de l'eau et de la glace, qui sont en particulier la variation de la densité donc la variation du volume et la variation de la résistivite électrique. Quand la température extérieure s'abaisse en franchissant le point de congélation de l'eau, l'eau contenue dans le petit récipient du détecteur de gel se-transforme en glace, et cette transformation de liteau en glace est à l'origine d'-un signal électrique qui provoque la vidange automatique du capteur d'énergie solaire. L'élévation de la température extérieure en franchissantle point de fusion de la glace fond la glace contenue dans le détecteur de gel qui dans ce cas fonctionne comme un détecteur de dégel, et cette transformation de la glace en eau est à origine d'un signal électrique nouveau et différent du précédent qui provoque le remplissage automatique du capteur d'énergie solaire. L'addition a pour but une nouvelle utilisation de ce détecteur de dégel, qui consiste à arrêter l'opération de dégivrage d'- évaporateur de réfrigérateur,automatiquement et sans réglage. Dans ce qui suit la désignation "évaporateur de réfrigérateur" est remplacée par le mot "évaporateur" qu-i est utilisé par les professionnels de l'industrie du froid. Â l'intérieur de l'armoire d'un réfrigérateur ou d'une chambre froide,l'évaporateur qui contient le fluide réfrigérant est souvent à une température inférieure au point de congélation de l'eau et se recouvre d'une couche de givre. Ce givre dont l'épaisseur augmente avec le temps de fonctionnement diminue les transferts de chaleur entre l'évaporateur et l'enceinte réfrigérée, et doit être fondu pendant l'opération de dégivrage quand son épaisseur devenue trop importante diminue le rendement de l'installation. L'opération de dégivrage consiste à chauffer l'évaporateur jusqu'à une température supérieure au point de fusion de la glace et pendant un temps suffisant pour fondre tout le givre. Dans le but de dégivrer complètement l'évaporateur, le dégivrage est souvent prolongé après la fusion totale du givre. Cela a pour conséquence une dépense inutile d'énergie en prolongeant inutilement le chauffage de l'évaporateur, et une nouvelle dépense d'énergie pour évacuer cette quantité supplié mentaire de chaleur ainsi dispersée dans l'enceinte réfrigérée. Ce détecteur de dégel, suivant l'invention, permet d'éviter cet inconvénient en arrêtant l'opération de dégivrage dès la fusion complète du givre déposé sur ltévaporateur. Dans ce but le détecteur de dégel est fixé sur l'évapora -teur avec une pièce bonne conductrice de la chaleur, et à un emplacement de l'évaporateur où pendant l'opération de dégivrage le givre fond le dernier. Avant l'opération de dégivrage, une couche de givre s'est déposée simultanément sur l'évaporateur et sur le détecteur de dégel. Dès le début de l'opération de dégivrage, un apport de chaleur élève la température de l'évaporateur. Quand la tmpé- rature de l'évaporateur est devenue supérieure au point de fusion de la glace, le givre commence à fondre. Du fait que le détecteur de dégel est-fizé sur ltévapora- teur en un lieu où le givre fond le dernier, le givre déposé sur le détecteur de dégel etle petit morceau de glace que contient ce détecteur de dégel fondent eux aussi les derniers. La fusion du petit morceau de glace que contient le détecteur de dégel est à origine d'un signal électrique qui arr8te immédiatement l'opération de dégivrage de l'évaporateur qui a été totale sans avoir été prolongée inutilement. Selon une première caractéristique de l'invention, le signal électrique qui provoque l'arrêt du dégivrage de l'évapo- rateur, qui pendant le dégivrage est chauffé jusqu'à une température supérieure au point de fusion due la glace, a pour origine la diminution du volume de la petite quantité de glace contenue dans le détecteur de dégel pendant sa transformation en eau. En diminuant de volume, cette glace qui se transforme en eau déforme une membrane en matière élastique qui déplace un contact électrique fixé sur un-ressort, jusqu'à l'ouverture ou la fermeture d'un circuit électrique. Selon une deuxième caractéristique de l'invention, le signal électrique qui provoque l'arrêt du dégivrage de l'évaporateur, a pour origine la diminution du volume de là petite quantité de glace contenue dans le détecteur de dégel pendant sa transformation en eau. En diminuant de volume, cette glace qui se transforme en eau déplace à l'intérieur d'un tube courbé en forme de V, une colonne de mercure par l'une de ses extrémités, ce qui a pour conséquence de déplacer l'autre extrémité de la colonne de mercure en l'éloignant d'une tige de métal, et en ouvrant ainsi un circuit électrique quand le mercure se sépare de cette tige de métal. Selon une troisième caractéristique de l'invention, le signal électrique qui provoque ? 'arrêt du dégivrage de l'éva- porateur, qui pendant le dégivrage est chauffé jusqu'a' une température supérieure au point de fusion de la glace, a pour origine la diminution de la résistivité électrique de la petite quantité de glace contenue dans le détecteur de dégel pendant sa transformation en eau.La résistivité électrique de la glace à la température de-O,22Cest de 284 mSgohms-ceetimètre, et la résistivité électrique de l'eau distillée est seulement de 4 mégohms-centimètre. Cette glace est parcourue par un cou- rant électrique d'une intensité extrtmement faible, afin de rendre négligeable son échauffement par effet Joule. Eh diminuant sa résistivité électrique pendant sa transformation en eau, cette glace qui se transforme en eau et que contient le détecteur de dégel est à l'origine d'une diminution de la différence de potentiel électrique entre les conducteurs qui relient ce dernier au générateur d'électricité. Exceptionnellement, selon cette troisième caractéristique de l'invention, le récipient du détecteur de dégel n'est pas complètement plein de glace, un petit volume de gas permet à la glace qu'il contient de diminuer de volume en se liquéfiant sans variation sensible de pression. D'autres caractéristiques et avantages. de cette invention ressortent de la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs. Deux figures sont représentées qui sont - la figure 1 qui montre en coupe, un évaporateur avec son déteçteur de dégel, où -le-dégivrage est obtenu par un chauffage extérieur au tube de l'évaporateur, - la figure 2 qui montre en coupe un évaporateur avec son détecteur de dégel, où le dégivrage est obtenu par un chauffage à l'intérieur du tube de l'évaporateur. La figure 1 représente en coupe un évaporateur représenté par son tube 126 où circule le flu-de réfrigérant. Sur ce tube 126 sont fixées les ailettes 128 et le détecteur de dégel. Chronologiquement, selon la' figure 1 l'opération de dégivrage comprend l'arrat de. laréfrigération; l'isolation thermique du reste de la chambre froide, de l'ensemble de llévapora- teur et de son détecteur de dégel, par l'enveloppe 130; et la mise sous tension de la résistance électrique 132 située à l'intérieur de l'enveloppe 130. À l'intérieur de l'enveloppe 130, le chauffage par effet Joule de la résistance électrique 132 élève la température au-dessus du point de fusion de la glace, ce qui a pour résultat de'fondre le givre déposé sur le tube de l'évaporateur 126, sur les ailettes 128, et sur le détecteur de dégel fixé sur la partie du tube 126 située au niveau le plus bas. L'expérience montre que les tubes d'un évaporateur situés au niveau le plus bas sont souvent les plus chargés de givre, et pendant le dégivrage sont souvent-les derniers où ia glace fond. Eventuellement, un autre point de l'évaporateur doit être choisi pour y fixer le détecteur de dégel, dans l'éventualité où ce nouvel emplacement de l'évaporateur est celui où pendant le dégivrage le givre fond le dernier. Il résulte de ces faits que le givre déposé sur le détecteur de dégel fond le dernier. Le petit morceau de glace 20 situé dans le détecteur de dégel fond également le dernier, et sa transformation en eau en diminuant son volume déplace la membrane en matière élastique 26. Ce déplacement de la membrane 26 déplace aussi un contact électrique 134 fixé sur la lame de ressort d'acier 136, ce qui a pour résultat d'ouvrir un 'circuit électrique entre les boutons de contact 134 et 138 fixés respectivement sur les lames de ressort d'acier 136 et 140. Cette ouverture de circuit électrique entre les boutons de contact 134 et 138 est le signal électrique qui arrête l'opération de dégivrage en supprimant le chauffage, par la mise hors tension de la résistance électrique 132. Ainsi le chauffage par la résistance électrique 132 a été supprimé dès la fusion des derniers cristaux de glace, ce qui permet d'effectuer un dégivrage économique en énergie pour deux raisons - en réduisant le temps de chauffage de l'évaporateur, - en diminuant le temps de fonctionnement du compresseur destiné à refroidir à nouveau ltenceinte réfrigéree, après un cycle complet de dégivrage. Dans les grandes installations, des ventilateurs situés à l'intérieur de l'enveloppe 130 brassent lssair ehauffé par la résistance électrique 132. L'expérience montre qu'après la fin du chauffage par la mise hors tension de la résistance électrique 132, le maintien pendant quelques minutes du fonctionnement peu consommateur a'énergie des tentilat~eurs est une sécurité, qui permet de rendre sensiblement et rapidement un- forme la température de 1 ' ensemble de l'évaporateur Chronologiquement, selon la figure 2 1lopération de dégivrage comprend l'arrêt de la réfrigérationsl'isolation thermique du reste de la chambre froide, de l'ensemble de l'évaporateur et de son détecteur de dégel, par ltenveloppe 190; et le chauffage par l'intérieur du tube 126. Ce chauffage par l'intérieur du tube de l'évaporateur est obtenu exceptionnellement par des résistances électriques situées dans ce tube ou surtout par inversion de flux. Dans ce dernier cas, le fluide situé dans le tube de l'évaporateur n'y a plus sa fonction normale de réfrigérant mais y est refoulé sous pression par le compresseur, ce qui porte ce fluide à une température supérieure au point de fusion de la glace. il résulte de ces faits que, selon la figure 2, a l'intérieur de l'enveloppe 130 le tube 126 devient le plus chaud, et que le givre qui est le dernier à fondre est situé à l'extrémité des ailettes 128. Dans le but d'obtenir un signal de dégel dès que le givre est totalement fondu, Se détecteur de dégel est fixé dans une enveloppe conductrice de la chaleur 142. La fixation sur le tube de l'évaporateur est effectuée sur une face extérieure de l'enveloppe 142, et sur la face de cette enveloppe 142 qui lui est symétrique le givre fond en même temps que le givre situé à l'extrémité -des ailettes 128, c'est à dire à la fin de l'opération de dégivrage. À l'intérieur de l'enveloppe 142 et contre la partie de ltenveloppe 142 où le givre fond le dernier est fixé le détecteur de dégel. Dans ces conditions, selon la figure 2, le petit morceau de glace que contient le détecteur de dégel fond lui aussi à la fin de l'opération de dégivrage, et la fusion de ce morceau de glace est à l'origine d'un signal électrique qui arree le chauffage par inversion de flux dès que le givre déposé sur l'évaporateur est totalement fondu. Pour des raisons d'encombrement il est parfois impossible de fixer le détecteur de dégel à l'endroit de l'évaporateur où le givre fond le dernier, et dans ce cas le signal de dégel peut dtre perçu par un relais temporisé, qui arrête le chauffage dès qu-'un temps prédéterminé s'est écoulé après la perception du signal de dégel. Les exemples ae réalisation représentés par les figures 1 et 2 sont applicables au dégisragesdes évaporateurs utilisés dans le conditionnement d'air et dans le chauffage par pompe à chaleur. Ce détecteur de dégel fisé sur un évaporateur de pompe à -chaleur peut également etre utilisé comme détecteur de gel, et provoquer ainsi l'opération de dégivrage. En effet des cristaux selectionnés, surtout cristallisés dans le système hexagonal; réduisent fortement et parfois annulent les phénomènes de surfusion de l'eau, et la suppression de ces cristaux permet après plusieurs cycles de gel et de dégel d'obtenir une surfusion de liteau de I'ordre de -4 oC. Dans ces conditions le détecteur de gel et de dégel donne un signal de gel à environ -4 oC et un signal de dégel à O oC. Ce qui permet de provoquer le cycle de dégivrage de l'évaporateur d'une pompe à chaleur à une température d'environ -4 oC, et d'arr8ter ce cycle-de dégivrage à la température de O oC. Pendant-le fonctionnement d'une pompe à chialeur, la température de son évaporateur qui est généralement ventilé est de 4 C inférieure à celle de l'air ambiant, ce qui correspond en valeur absolue sensiblement à la température de surfusion de l'eau d'un détecteur de gel dépourvu de cristauxdestînés à réduire ou à supprimer.la surfusion. il résulte de cette corrélation, --que pour une température ae l'air supérieure à O e C, le détecteur de gel et de dégel peut à lui seul démarrer et arrêter les cycles de dégivrage de l'évaporateur d'une pompe à chaleur. Dans les régions où le climat est doux, il est possible en supprimant à l'aide de cristaux les phénomènes de surfusion de l'eau dans le détecteur de gel, d1arter le fonctionnemeLt d'une pompe å chaleur dés que son évaporateur atteint une température inférieure au point de congélation de l'eau; ce qui permet de réduire le coat de l'installation en supprimant les dispositifs de dégivrage de l'évaporateur. aturelIement les applications du détecteur de gel et de dégel au dégivrage et à la prévention dégivrage des évaporateurs de pompe à chaleur, qui viennent d'être décrites, sont applicables aux dispositifs de conditionnement d'air. Bien entendu, cette invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés, mais elle en englobe toutes les variantes. Par ailleurs, la faible inertie thermique de ce détecteur de gel et de dégel, permet son utilisation, pour prévenir le gel des canalisations d'eau et des installations hydrauliques. Le détecteur de dégel, objet de l'invention, peut etre utilisé dans toutes les installations frigorifiques où il est nécessaire d'atteindre des températures inférieures au point de congélation de 11 eau. il peut Qtre utilisé dans : les chambres froides, les armoires frigorifiques, les bateauxjles wagons et les camions utilisés pour le transport à basse température, les tunnels de congélation. Des applications particulièrement intéressantes peuvent entre les commandes de cycle de dégivrage des évaporateurs de pompe à chaleur. Le détecteur de gel, objet de l'invention, peut aussi betre utilisé en tant qu'instrtiment de sécurité, dans les installa- tions frigorifiques et de conditionnement d'air et sur les évaporateurs de pompe à chaleur, qui ne doivent pas atteindre des températures intérieures au point de congélation de l'eau. REVNDICÂTIONS 1 - Dispositif suivant les-revendications 9 et 10 du brevet principal permettant, quand la température extérieure s'élève de-remplir d'eau un capteur d'énergie solaire dès qu'est perçu un signal électrique qui a pour origine la fusion de la glace contenue dans un détecteur de gel, ce détecteur de gel qui est aussi un détecteur de dégel comporte un dispositif qui est å l'origine de ce signal é-lectrique en étant sensible à l'une des différences entre les propriétés physiques de la glace et de l'eau, qui est en particulier la variation de l & densité donc la variation du volume;; et l'addition pour but d'apporter une application nouvelle à ce détecteur de dégel, qui consiste à utiliser le signal électrique qui a pour origine la fusion de la glace située dans un petit récipient du détecteur de dégel pour arrter..automatiquement le dégivrage qui consiste b fournir de la chaleur à un évaporateur de réfrigérateur ou de pompe à chaleur dans le but de fondre le givre ou la glace qui s'y est déposé; caractérisé par le fait que le moyen qui est à l'origine du signal électrique qui provoque l'arrêt automatique de l'opération de dégivrage de ltévaporateur est une membrane en matière élastique qui ferme le petit récipient du détecteur de dégel et que déforme la diminution du volume de l'eau qui passe de l'état solide à l'état liquide et que contient ce petit récipient, quand sa tempé-rature est devenue supérieure au point de fusion de la glace; la déformation de cette membrane en matière élastiquetdéplace un bouton de contact qui ouvre ou ferme un circuit électrique. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le détecteur de dégel est fixé sur l'évaporateur à l'emplacement de cet évaporateur où pendant l'opération de dégivrage le givre ou la glace fond le dernier. 3 - Dispositif selon la revendication .2, caractérisé par le fait que le détecteur de dégel est fixé à l'intérieur d'une enveloppe conductrice de la chaleur et sous la face extérieure de cette enveloppe où le givre fond le dernier, la face exté rieur 3ituée-à l'autre extrémité de cette enveloppe étant fixée sur l'évaporateur; quand lé dégivrage de ce dernier s'effectue en fournissant de la chaleur dans le volume où circule le plus souvent le fluide réfrigérant. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que des cristaux sélectionnés pour réduire ou supprimer les phénombaes de surfusion de l'eau ne sont pas additionnés à l'eau du détecteur de gel et de dégel; dans le but d'utiliser la surfusion de cette eau pour obtenir un signal de gel qui provoque l'opération de dégivrage de l'évaporateur B une température inférieure au point de congélation de l'eau, et d'obtenir un signal de dégel qui arrête ltopération de dégivrage de l'évaporateur à la texpérature de fusion de la glace.