Brevet FR2514114A1 — publié le 19830408

Circuit fermé de pompe à chaleur ou à froid. L'invention concerne un circuit fermé de pompe à chaleur ou à froid, dans lequel au moins un compres- seur, un condenseur, une soupape de détente et un éva- porateur sont montés en série, et la soupape de détente réglée sur une surchauffe est commandée, au moyen d'un palpeur couplé thermiquement à la conduite d'aspiration entre l'évaporateur et le compresseur, en fonction du degré de siccité du fluide frigorigène au niveau de la sortie de l'évaporateur. Normalement, une soupape de détente est comman- dée en fonction de la surchauffe du fluide frigorigène déterminé par un palpeur à la sortie de l'évaporateur. Afin que cette surchauffe par rapport à la température de l'évaporateur puisse être atteinte, une évaporation com- plète du fluide frigorifique doit déjà avoir lieu dans l'évaporateur De ce fait, la puissance de l'évaporateur est réduite par rapport à la valeur que l'on pourrait obtenir si le degré de siccité du fluide frigorigène à la sortie de l'évaporateur n'était par exemple que de 85 %. Cependant, tant que le degré de siccité est inférieur à 1, il n'y a aucune surchauffe et la soupape de détente ne peut pas fonctionner. Dans un circuit fermé du type décrit ci-dessus (demande de brevet allemand mise à l'inspection publique sous le NO 24 45 065), une soupape de détente courante répondant à la surchauffe peut être commandée en fonction du degré de siccité du fluide frigorigène à la sortie de l'évaporateur grâce au fait que le palpeur est disposé sur une conduite de dérivation qui est en parallèle sur un échangeur de chaleur, monté entre l'évaporateur et le compresseur, dans lequel le fluide frigorigène côté refoulement donc chaud réchauffe le fluide frigori- gène côté aspiration La conduite de dérivation est munie, en amont du palpeur, d'un dispositif de chauffage qui fournit à la partie dérivée du fluide frigorigène côté aspiration une quantité de chaleur suffisamment importante pour qu'il apparaisse une surchauffe néces- saire pour la réponse de la soupape de détente Ceci permet de mieux utiliser l'évaporateur et, dans le cas d'une puissance prédéterminée, d'utiliser un évaporateur plus petit Ceci est particulièrement intéressant pour des installations de pompe-à chaleur pour le chauffage d'habitations dans lesquelles l'évaporateur est un com- posant relativement cher Bien entendu, l'utilisation d'une conduite de dérivation en liaison avec l'échangeur de chaleur conduit à une dépense plus élevée Etant donné que le palpeur est disposé à une certaine distance der- rière la sortie du compresseur, le trajet de régulation est important, ce qui fait apparaître un retard corres- pondant lors de la réponse de la soupape de détente. Etant donné que la soupape de détente ne se ferme que lorsque du fluide frigorigène liquide est arrivé jus- qu'au voisinage du palpeur, qui se trouve à la fin de la conduite dérivation, il existe le danger que ce fluide frigorigène liquide arrive jusque dans le compresseur et y provoque des dégâts. L'invention se propose de fournir un circuit fermé de pompe à chaleur ou à froid du type décrit ci- dessus, dans lequel le degré de siccité du fluide fri- gorigène à la sortie de l'évaporateur peut être mainte- nu à une valeur prédéterminée, sans qu'il y ait à prendre des mesures particulières dans le tracé des conduites. Ce problème est résolu suivant l'invention grâce au fait que lepalpeur est disposé à la sortie de l'évaporateur et est couplé thermiquement à une source de chaleur qui, pendant le fonctionnement du com- presseur, fournit au palpeur une quantité de chaleur telle qu'en présence du degré de siccité souhaité ce palpeur prenne une température correspondant à la sur- chauffe réglée. '14114 Dans cet agencement le palpeur reste à son em- placement habituel,donc sur la conduite d'aspiration se raccordant à la sortie de l'évaporateur Il Xse trouve par conséquent directement à l'endroit o le degré,de siccité du fluide frigorigène doit être déterminé et dans chaque cas en amont d'un échangeur de chaleur, d'un séparateur de liquide ou d'un dispositif semblable situé en aval. A l'opposé de la commande par surchauffe connue dans la- quelle le palpeur prend la température du gaz aspiré, l'utilisation de la source de chaleur conduit à une tem- pérature d'équilibre du palpeur La quantité de chaleur fournie est déterminée par la source de chaleur, la-quan- tité de chaleur dissipée dépend du degré de siccité du fluide frigorigène Plus il y a encore de fluide frigo- rigéneliquide, plus la dissipation de chaleur est forte et plus la température du palpeur est faible Par consé- quent, il est possible de modifier le degré de siccité souhaité soit en modifiant la quantité de chaleur trans- mise soit en modifiant le réglage de la surchauffe au niveau de la soupape de détente Eh pratique, c'est cette dernière solution qui est préférée Par conséquent, globalement l'évapora- teur peut être utilisé presque à 100 % La vitesse de réponse du circuit de régulation-correspond approximati- vement à celle de-la régulation par surchauffe classique. Dès que la fraction liquide du fluide frigorigène au ni- veau de la sortie de l'évaporateur est trop importante, la température du palpeur diminue de façon correspon- dante et la soupape de détente peur se fermer complètement. Il est avantageux, en outre, qu'à la source de chaleur soit associé un dispositif de commande qui main- tient sensiblement constante la quantité de chaleur four- nie au palpeur, mais la réduit lors du dépassement d'une valeur limite d'une grandeur de commande dépendant de la charge du compresseur Audessous de la valeur limite apparaît par conséquent la dépendance décrite Par contre, au-dessus de la valeur limite la puissance de l'évapora- : 2514114 teur est réduite, ce qui évite une surcharge du co - presseur. On obtient le montage le plus simple lorsque le-dispositif de commande supprime l'amenée d'énergie à la source de chaleur lors du dépassement de la valeur limite Une autre possibilité consiste à faire en sorte que le dispositif de conzmande réduise l'amenée d'énergie à la source de chaleur lors du dépassement de la valeur limite lorsque la grandeur de comimande augmente De ce fait,' on obtient une adaptation permanente aux conditions de fonctionnement respectives, ceci fournit une meil- leure commande du circuit de pompe à chaleur ou à froid, sans -oscillations pendulaires. Le courant du moteur du compresseur peut no- tamment constituer la grandeur de commande On peut ce- pendant envisager également d'autres grandeurs dépendant de la charge, par exemple la température de l'enroule- ment du moteur. Comme source de chaleur, il est recommandé d'utiliser un élément chauffant électrique On peut en- visager par exemple, à cet effet, une résistance bobinée. Cependant, on préfère une résistance à coefficient de température positif ou un transistor de puissance, étant donné que ces éléments chauffants peuvent maintenir leur température et par conséquent leur émission de chaleur approximativement constantes. De façon particulièrement avantageuse, la source de chaleur est couplée thermiquement à la conduite d'as- piration uniquement par l'intermédiaire du palpeur Par conséquent, il n'apparaît plus d'influences thermiques perturbatrices qui pourraient agir à partir de la source de chaleur directement'sur le fluide frigorigène dans la conduite d'aspiration. Dans une forme de réalisation pratique, un élément chauffant électrique est disposé du côté du palpeur qui est opposé à la condj ite d'aspiration, et une bride commune entoure les trois éléments Par rap- port à la commande par surchauffe connue, il suffit simplement que l'élément chauffant soit serré en plus en même temps. De façon particulièrement avantageuse, la sur- chauffe de la soupape de détente est réglée sur au moins Une telle surchauffe statique importante équivaut à une prétension importante du ressort de fermeture de la soupape de détente Ceci assure une fonction de fer- meture rapide dès qu'une quantité trop importante de fluide frigorigène liquide provenant de l'évaporateur arrive jusque dans la région du palpeur Une telle sou- pape de détente peut être une soupape standard, avec un remplissage normal On peut obtenir une adaptation à la plupart des types de fluide frigorigène et des typoede fonctionnement simplement par le choix de la puissance de chauffage de la source de chaleur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode de réalisation préféré mais non limitatif représenté au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un schéma d'un circuit de pompe à chaleur suivant l'invention; La figure 2 est une vue en coupe de la conduite d'aspiration, du palpeur et de l'élément chauffant; et La figure 3 est une représentation schématique de la soupape de détente. Sur la figure 1, le circuit de pompe à chaleur comporte un compresseur 1 en aval duquel est montéeune soupape de retenue 2 A la suite se trouve un condenseur 3 qui fait partie d'un échangeur de chaleur 4 à l'aide duquel l'agent chauffant d'un circuit de chauffage 6, comportant un accélérateur 5, est chauffé Le liquide est rassemblé dans un collecteur 7 A celui-ci se rac- corde la partie primaire d'un échangeur de chaleur 8, puis suivent une soupape magnétique d'arrêt 9 et une soupape de détente thermostatique 10 L'agent sous pres- sion détendu est amené à un évaporateur 11, auquel est associé un ventilateur 12, par l'intermédiaire d'un distributeur 13 Suivent ensuite un dispositif 14 de retenue du liquide, la partie secondaire de l'échangeur de chaleur 8 et de nouveau le compresseur 1 Pour le dé- givrage, on prévoit une conduite de dérivation 15 avec une soupape magnétique d'arrêt 16 Lorsque la soupape. magnétique 9 est fermée, du gaz sous pression chaud peut être amené directement dans l'évaporateur 11 par cette- conduite de dérivation 15. La soupape de détente thermostatique 10 est ré- liée à un raccord 18 situé sur le dessus de la conduite d'aspiration 22, par l'intermédiaire d'une conduite d'é- quilibrage de pression 17, et à un palpeur 20, par l'in- termédiaire d'un tube capillaire 19 La pression d'aspira- tion, qui correspond à la température t 1 de l'évaporateur, est appliquée à la soupape de détente 10 par l'intermé- diaire de la conduite d'équilibrage de pression 17 Le palpeur 20 se trouve sur une section de la conduite d'as- piration 22 qui se raccorde à la sortie 21 de l'évapora- teur 11 et prend une température t 2 - Sur le côté extérieur du palpeur 20 est disposé un élément chauffant électrique 23 se présentant sous la forme d'une résistance à coefficient de température positif L'élément chauffant 23 et le palpeur 20 sont maintenus sur la conduite 22 au moyen d'une bride commune 24, à l'aide d'une vis de serrage 25 L'élément chauffant 23 est alimenté en courant par l'intermédiaire d'un dispo- sitif de commande 26 lorsqu'un interrupteur thermostatique 27 applique une tension U au compresseur 1. Le dispositif de commande 26 fournit une puis- sance constante à l'élément chauffant 23 jusqu'à ce que le courant I du moteur, déterminé au niveau d'une résis- tance de mesure 28, dépasse une valeur limite prédéter- minée Si le courant I du moteur continue à augmenter, 1 14 l'énergie électrique fournie à l'élément chauffant 23 diminue proportionnellement Dans une variante, le dis- positif de commande 26 peut également comporter un in- terrupteur qui s'ouvre lors du dépassement de la valeur limite du courant du moteur et déconnecte l'élément chauffant 23 de la tension. La soupape de détente 10 comporte un boitier 29 comprenant un raccord d'entrée 30, un raccord de sor- tie 31 et un siège de soupape 32 L'élément de ferme- ture associé 33 est couplé à une tige 35 guidée de façon étanche à travers une paroi transversale 34, et pouvant être déplacée par un élément à soufflet 36 Celui-ci est chargé dans la position de fermeture par la pression régnant dans l'espace 37 et par un ressort 38 qui peut être réglé à l'aide d'une vis de réglage 39 La pression régnant dans l'espace 40 agit -dans le sens d'ouverture. L'espace 37 est couplé à la conduite d'aspiration 22 par l'intermédiaire de la conduite d'équilibrage de pression 17, et l'espace 40 est couplé au palpeur 20 par l'in- termédiaire de la conduite capillaire 19 Ce palpeur est rempli de liquide et de vapeur de sorte que sa tempéra- ture de détection correspond à une pression de vapeur déterminée. Etant donné que le circuit doit être utilisé de manière qu'il règne un degré de siccité inférieur à 1, par exemple égal à 0,85, dans la section de conduite d'aspiration 22, le fluide frigorigène se trouvant à l'intérieur 41 de la section associée de la conduite d'aspiration 22 contient encore des particules de li- quide 42 La soupape de détente 10 s'ouvre uniquement lorsque la pression de vapeur qui dépend de la tempéra- ture t 2 du palpeur 20 est supérieure à la pression dans la conduite d'aspiration 22, étant donné que la préten- sion du ressort 38 doit être surmontée L'élément chauf- fant 23 fournit au palpeur 20 une puissance calorifique de préférence constante, par exemple 10 W pour une tension de 24 V De ce fait, l'élément chauffant prend une température t 3 La puissance calorîfique est choisie de manière que, malgré le prélèvement de chaleur au ni- veau du palpeur 20 par le gaz aspiré contenant encore dés particules liquides, la température t 2 du palpeur corresponde à la température de surchauffe réglée de la soupape de détente Si l'humidité du fluide frigorigène augmente, le prélèvement de chaleur est plus important et t 2 diminue Par contre, si le degré de siccité augmen- te, le prélèvement de chaleur est plus faible et t 2 aug- mente. Le choix de la puissance de chauffage permet d'adapter le dispositif à n'importe quel fluide frigo- rigène arbitraire Le choix de la tension du ressort 38 permet de régler la température de surchauffe et, par conséquent, le degré de siccité au nouveau de la sortie 21 de l'évaporateur 11 On règle de préférence une surchauffe importante de 10 WC et plus Ceci signifie que la force de fermeture de la soupape est importante et que le temps de réaction dans le cas de variations de température possède une valeur faible correspondante. La commande, en fonction de-la charge de la puissance de chauffage de l'élément chauffant 23, permet, en outre d'obtenir, avec un remplissage standard du système ther- irostatique de la soupape de détente, une action similaire à celle obtenue dans le cas d'une régulation en fonction de la pression de service maximale (réglage MOP) avec un remplissage spécial, c'est-à-dire que lorsque la charge de l'évaporateur est critique, par suite de la réduction de la puissance de chauffage la puissance de l'évaporation, et, par conséquent, la puissance du compresseur, diminuent également. Pour obtenir la régulation souhaitée du degré de siccité, on peut, par conséquent, utiliser une soupape de détente classique avec un remplissage normal Le cir- cuit de fluide frigorigène n'a pas besoin d'être modifié. Il suffit simplement de prévoir une adaptation ou réglage correspondant de la puissance de chauffage pour l'élément chauffant. REVENDICATIONS 1 Circuit fermé de pompe à chaleur ou à froid, dans lequel au moins un compresseur, un condenseur, une soupape de détente et un évaporateur sont montés en sé- rie, et la soupape de détente réglée sur une surchauffe est commandée, au moyen d'un palpeur couplé thermiquement à la conduite d'aspiration entre l'évaporateur et le com- presseur, en fonction du degré de siccité du fluide frigo- rigène au niveau de la sortie de l'évaporateur, caracté- risé en ce que le palpeur ( 20) est disposé à la sortie ( 21) de l'évaporateur et est couplé thermiquement à une source de chaleur ( 23) qui, pendant le fonctionnement du compresseur (l),fournit au palpeur une quantité de cha- leur telle qu'en présence du degré de siccité souhaité ce palpeur prenne une température correspondant à la sur- chauffe réglée. 2 Circuit suivant la revendication 1, caracté- risé en ce qu'à la source de chaleur ( 23) est associé un dispositif de commande ( 26) qui maintient la quantité de chaleur fournie au palpeur ( 20) approximativement constante, mais la réduit lors du dépassement d'une valeur limite d'une grandeur de commande (I) qui dépend de la charge du compresseur ( 1). 3 Circuit suivant la revendication 2, caracté- risé en ce que le dispositif de commande ( 26) interrompt l'amenée d'énergie à la source de chaleur ( 23) lors du dépassement de la valeur limite. 4 Circuit suivant la revendication 2, caracté- risé en ce que le dispositif de commande ( 26) réduit l'amenée d'énergie à la source de chaleur ( 23) lors du dépassement de la valeur limite lorsque la grandeur de commande (I) augmente. Circuit suivant l'une quelconque des revendi- cations 2 à 4, caractérisé en ce que le courant du moteur du compresseur ( 1) constitue la grandeur de commande (I). il 6 Circuit suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que la source de chaleur ( 23) est un élément chauffant électrique. 7 Circuit suivant la revendication 6, caracté- risé en ce que l'élément chauffant électrique ( 23) est une résistance à coefficient de température positif. 8 Circuit suivant la revendication 6, caracté- risé en ce que l'élément chauffant électrique ( 23) est un transistor de puissance. 9 Circuit suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisé en ce que la source de cha- leur ( 23) est couplée thermiquement à la conduite d'as- piration ( 22) uniquement par l'intermédiaire du palpeur ( 20). 10 Circuit suivant la revendication 9, caracté- risé en ce qu'un élément chauffant électrique ( 23) est disposé du côté du palpeur ( 20) opposé à la conduite d'as- piration ( 22) et qu'une bride commune ( 24) entoure les trois éléments. 11 Circuit suivant l'une quelconque dés revendi- cations 1 à 10, caractérisé en ce que la surchauffe de la soupape de détente ( 10) est réglée sur au moins 100 C.