Brevet FR2532408A1 — publié le 19840302

Contrôle de température-à plusieurs zones dans des systèmes de réfrigération cycliques par air. La présente invention concerne unsystème de réfrigération cyclique par air commandé par turbine en vue de fournir de l'air de refroidissement sous pression à plusieurs zones telles que le poste de pi- lotage et la cabine d'un avion de transport. Dans le système de réfrigération cyclique spécifique par air utilisé pour la pressurisation et le refroidissement de cabines d'avions ou de charges semblables, l'air d'entrée (alimentation) du système obtenu, par exemple, d'un compresseur de moteur à tur- bine à gaz,est mis sous pression dans-le compresseur du système de réfrigération, refroidi par l'air am- biant dans un échangeur de chaleur, puis acheminé à la turbine du système, le travail engendré par l'air comprimé sur la turbine provoquant un refroidissement de l'air qui est ensuite évacué vers la charge La turbine est solidarisée mécaniquement au compresseur de telle sorte que le travail engendré-par l'air com- primé sur cette turbine contribue à entraîner le rotor du compresseur. La pressurisation et le refroidissement de plusieurs zones à l'aide d'un seul système de réfrigé- ration cyclique par air sont parfois requis, par exem- ple, lorsqu'un seul système doit assurer-la pressuri- sation et le refroidissement du poste de pilotage (habitacle du pilote) et de la cabine d'un avion de transport Jusqu'à présent, le conditionnement d'air de plusieurs zones a impliqué un contrôle de tempéra- ture à la fois du flux d'air total du système évacué de la turbine de ce dernier et de la partie du flux d'air ayant pénétré dans une des zones Le contrôle de température de la zone restante était fondé en ma- jeure partie sur le contrôle de température du flux d'air d'échappement total de la turbine Ce contrôle de température de l'ensemble du flux d'air d'échappe- ment de la turbine est obtenu spécifiquement par un contrôle simultané du débit d'air total à travers la turbine (à travers le compresseur disposé en série), ainsi que de la quantité d'air non refroidi mélangé avec l'air d'échappement de la turbine avant d'être déchargé dans les zones à air conditionné D'une ma- nière quelque peu semblable, le contrôle de la tempé-' rature de la zone contrôlée a généralement été effec- tué par le mélange contrôlé d'air non refroidi avec- la partie de l'air d'échappement réfrigéré de la tur- bine qui est déchargée dans cette zone. Il est à noter que le refroidissement de 1 S l'autre zone (non contrôlée) dépend des demandes de refroidissement de la zone contrôlée et du contrôle de la température de l'échappement principal de la tur- bine Dans un avion de transport de conception moder- ne, un contrôle de température indépendant de deux zones ou plus peut être requis De prime abord, il peut sembler qu'une solution évidente pourrait consis- ter en un contrôle de température complètement indépen- dant, dans chaque zone, du mélange d'air non refroidi avec l'air refroidi déchargé de la turbine du système de conditionnement d'air Ce contrôle indépendant pourrait nécessiter un doublement important des élé- ments constitutifs du système (soupapes, contrôleurs, mécanismes de commande et analogues), augmentant ainsi sensiblement le coût, le poids, la complexité et les entretiens nécessaires du système En conséquence, on a cherché à mettre au point un contrôle de température indépendant de plusieurs zones sans l'utilisation de soupapes d'équilibrage et de mécanismes de commande séparés. En conséquence, un objet de la présente in- vention est d'assurer un contrôle de température indé- pendant dans des zones multiples refroidies au moyen d'un seul système de conditionnement cyclique par air sans nécessiter des contrôleurs, des-soupapes d'équi- librage et des mécanismes de commande individuels pour ces dernières dans chaque zone. Suivant la présente invention, un contrôle de température indépendant dans deux zones refroidies par un.seul système de conditionnement d'air est obtenu en équipant chaque zone d'une soupape d'équilibrage qui contrôle la quantité d'air non refroidi mélangé avec l'air refroidi provenant de la turbine et acheminé à la zone, les soupapes d'équilibrage étant entraînées par un seul mécanisme de commande -qui ouvre progressi- vement chaque soupape au départ d'une position de fer meture de celle-ci tandis que-l'autre soupape est main- tenue dans une position de fermeture Le mécanisme-de commande réagit aux conditions de température régnant dans une seule des zones La soupape contrôlant la - tempéiature du flux d'échappement total de la-turbine du système réagit aux conditions de température régnant dans l'autre zone Le fonctionnementdu mécanisme de commande de la manière décrite ici permet, à ce dernier, de-régler la soupape d'équilibrage d'une des zones dans le but d'établir, par exemple, des températures plus basses dans cette zone en cas de besoin Lorsque cette soupape d'équilibrage est complètement fermée, une demande complémentaire de températures plus basses dans cette zone amène-le mécanisme de commande à conti- nuer de fonctionner a-fin d'ouvrir la soupape d'équili- brage associée à l'autre zone dans le but d'accroître le débit d'air chaud acheminé à cette dernière, tendant ainsi à élever la température de cette zone Toute-. fois, cette-élévation de température est empêchée par la soupape de contrôle qui assure un refroidissement supplémentaire de l'échappement total de la turbine *du système de conditionnement d'air, établissant ain- si les températures plus basses souhaitées dans la zone en question sans perturber la température main-te- nue dans l'autre zone Dès lors, une'régulation de température indépendante des deux zones est atteinte avec un seul mécanisme de commande pour les deux sou- papes d'équilibrage associées aux zones. Dans les dessins annexés: la figure 1 est une représentation schémati- que du système de réfrigération cyclique par air de la présente invention; et la figure 2 est une représentation graphique de la relation existant entre le fonctionnement des soupapes d'équilibrage utilisées dans le système de la figure 1 et l'unique mécanisme de commande qui règle les soupapes. En se référant à la figure 1, le système de réfrigération cyclique par air de la présente inven- tion est illustré d'une manière générale en 10 Ce système est alimenté en air, en l'occurrence, l'air de purge de la section de compresseur du moteur à turbine à gaz, via la canalisation d'entrée 15 Le flux d'air d'alimentation est divisé en 20, une partie de l'air d'alimentation étant canalisée à travers un échangeur de chaleur primaire 25 o l'air est refroidi par un flux d'air ambiant tel que l'air de pression aérodyna- mique du moteur qui passe au travers Après sa déchar- ge de l'échangeur de chaleur primaire, l'air refroidi dans ce dernier est canalisé vers le compresseur 30 du système via la canalisation 35, la soupape de contr 8 le et la canalisation 45 Dans le compresseur, l'air est comprimé, ce qui a pour résultat de l'échauffer, l'air comprimé étant ensuite refroidi dans un échangeur de chaleur secondaire 50 par l'air ambiant, en l'occur- rence, l'air de pression aérodynamique du moteur dont question ci-dessus Comme le montre le dessin, les échangeurs de chaleur primaire et secondaire 25 et 50 peuvent être logés dans-une seule unité, l'air de pression aérodynamique y étant acheminé via l'entrée Lors de sa décharge hors des échangeurs de cha- leur 25 et 50, l'air de pression aérodynamiqueest ache- miné à travers un conduit 60 à la terminaison duquel un ventilateur 65 peut être prévu pour maintenir la continuité du flux d'air à travers les échangeurs de chaleur primaire et secondaire Comme le montre le dessin, ce ventilateur 65 peut être entraîné avec le compresseur 30 par la turbine à expansion 70 du systè- me de conditionnement d'air ' Une soupape régulatrice de débit 75 disposée dans le conduit de sortie 80 du ventilateur peut être utilisée pour régler l'écoule- ment de l'air de refroidissement à travers les échan- geurs de chaleur 25 et 50. Afin d'éliminer la vapeur d'eau de l'air de décharge du compresseur, à sa sortie de l'échangeur de chaleur secondaire 50, cet air-peut éventuellement être acheminé, via une canalisation 85, à un condenseur 90 duquel l'air est ensuite dirigé vers l'entrée de la turbine 70 via une canalisation 95 Un tuyau de purge 100 intercalé, par exemple, dans la canalisation 95, constitue un moyen permettant de décharger l'eau con- densée hors du condenseur 90 L'air acheminé à la tur- bine agit sur cette dernière de la manière habituelle en faisant tourner son rotor, provoquant ainsi une ex- pansion et un refroidissement de l'air qui est ensuite déchargé de la turbine via le condenseur 90 en vue de refroidir et d'assécher l'air d'entrée de la turbine de la manière décrite-ci-dessus Du condenseur, l'air d'échappement de la turbine est acheminé, via des cana- lisations 105 et 110, à une première zone d'un poste de pilotage 115 en vue de la pressurisation et du refroi- dissement de cette zone Le poste de pilotage est mis en communication avec une seconde zone ou cabine 120 via un évent 125 L'air d'échappement de la turbine est acheminé à la cabine 120 directement par les cana- lisations 105 et 112, la canalisation 112 étant un prolongement de la canalisation 105 situé en aval de la jonction de celle-ci et de la canalisation 110. Une partie de l'air d'alimentation non re- froidi provenant de la canalisation d'entrée 15 est canalisée à travers la canalisation 135, la soupape et la canalisation 145 A la terminaison de la canalisation 145, l'air d'entrée est ajouté sélective- ment à l'air d'échappement de la turbine 70 Les sou- papes 40 et 140 sont actionnées par un mécanisme de commande 150 qui les règle simultanément pour contrô- ler la température de l'air évacué de la turbine Dans la forme de réalisation préférée, le mécanisme de com- mande 150 réagit à un contrôleur 153 réagissant lui- même à un signal qui lui est transmis par un capteur de température d'échappement de turbine 154 monté dans la canalisation 112 Pour les besoins de l'illustra- tion, le capteur 154 est représenté en combinaison avec le contrôleur Ce dernier réagit également à un signal qui lui est transmis par un capteur de tem- pérature de cabine 155 Un signal émis par le con- trôleur 153 et indiquant une erreur entre les signaux provenant des capteurs 154 et 155, amène le mécanisme de commande 150 à fermer la soupape 40 et à ouvrir la soupape 140, ce qui a essentiellement pour effet de court-circuiter partiellement l'échappement de la tur- bine lorsqu'un refroidissement moins intense de la cabine est requis Afin d'accroître le refroidisse- ment de la cabine, le mécanisme de commande 150 ouvre la soupape 40 tout en fermant la soupape 140 en vue d'intensifier le refroidissement en augmentant le dé- bit d'air à travers la turbine. Le givrage dans l'échappement de la turbine peut être minimisé moyennant un recyclage de l'air de la cabine au moyen d'un ventilateur 157 à travers un filtre 160 et un clapet de retenue 165 montés dans la canalisation 170 Afin d'assurer un contrôle de température dans une des zones, en l'occurrence, le poste de pilo- tage 115,'l'air d'entrée non refroidi du système est mélangé sélectivement avec l'air d'échappement de la turbine qui est acheminé à cette zone via la canalisa- tion 110 Cet air d'entrée est acheminé à la canali- sation 110 via une canalisation 175 et une première soupape d'équilibrage 180 (poste de pilotage) disposée dans une canalisation 185 qui communique, par ses ex- trémités, avec les canalisations 110 et 175 La sou- pape 180 est actionnée par un mécanisme de commande Ce mécanisme de commande 195 est déclenché par un contrôleur 196 réagissant aux signaux qui lui sont transmis par des capteurs de température 197 et 200 montés dans la canalisation 110 et le poste de pilota- ge respectivement Une erreur survenant entre les si- gnaux émis par ces capteurs et indiquant que le refroi- dissement du poste de pilotage doit être réduit, amène le mécanisme de commande 195 à ouvrir davantage la soupape d'équilibrage 180 afin de laisser entrer des quantités croissantes d'air d'alimentation non refroi- di dans la canalisation 110 De la même manière, des signaux émis par les capteurs 197 et 200 pour indiquer que le refroidissement du poste de pilotage doit être intensifié, amènent le mécanisme de commande 195 à fermer partiellement la soupape d'équilibrage 180. Ainsi, qu'on l'a mentionné précédemment, il est fréquemment requis d'assurer un contrôle de tempé- rature indépendant des deux zones (poste de pilotage et cabine) en prévoyant un minimum de pièces consti- tutives en double Suivant la présente invention, ce contrôle indépendant est assuré par une deuxième soupape d'équilibrage 205 (cabine) disposée dans la canalisation 175 et actionnée avec la soupape d'équi- librage 180 par le mécanisme de commande commun 195 en vue de contrôler le débit d'air d'alimentation non refroidi pénétrant dans la canalisation 112 à partir de la canalisation 175. On se référera à présent à la figure 2 qui illustre la relation existant entre le fonctionne- ment du mécanisme de commande 195 et la section d'écoulement à travers la soupape d'équilibrage 180 du poste de pilotage et la soupape d'équilibrage 205 de la cabine On constate que le mécanisme de com- mande 195 effectue une ouverture graduelle de chacune des soupapes d'équilibrage alors que l'autre soupape reste fermée C'est ainsi que, lorsque la soupape d'équilibrage de la cabine est complètement ouverte, la soupape d'équilibrage du poste de pilotage est fer- mée Le fonctionnement du mécanisme de commande a -pour effet de fermer progressivement la soupape d'équi- librage de la cabine alors que la soupape d'équilibra- ge du poste de pilotage est maintenue complètement fermée jusqu'à ce que le mécanisme de commande ferme complètement la soupape d'équilibrage de la cabine, moment auquel les deux soupapes sont fermées Un fonc- tionnement complémentaire du mécanisme de commande a pour effet d'ouvrir progressivement la soupape d'équi- librage du poste de pilotage tout en maintenant la soupape d'équilibrage de la cabine complètement fermée. L'agencement des soupapes d'équilibrage de cabine et de poste de pilotage, des soupapes de con- trôle de température d'échappement de turbine 40 et , ainsi que des mécanismes-de commande et des - capteurs qui y sont associés, assure un contrôle de - température indépendant à la fois du poste de pi- lotage et de la cabine sans nécessiter une mise en ac tion individuelle des soupapes d'équilibrage Cette caractéristique sera le mieux illustrée par une des- cription du fonctionnement du système donnée à titre d'exemple En supposant que le mécanisme de commande est à 50 % de sa portée opératoire, les deux soupapes d'équilibrage sont fermées Si le poste de pilotage est trop froid, sa soupape d'équilibrage 180-est ou- verte pour laisser passer des quantités accrues d'air d'alimentation non refroidi en-direction de la cana- lisation 110 sans perturber la température intérieure de la cabine Si, d'autre part, le poste de pilotage est trop chaud et que sa soupape d'équilibrage occupe la position d'ouverture, cette dernière est progressi- vement fermée Si une-fermeture complète de cette soupape d'équilibrage ne permet pas de refroidir suf- fisamment le poste de pilotage, le mécanisme de com- mande continue à fonctionner, maintenant ainsi la sou- pape d'équilibrage du poste de pilotage en position de fermeture tout en ouvrant la soupape d'équilibrage de la cabine, ce qui a pour effet de fournir, à l'ali- mentation de la cabine, un apport d'air d'alimentation non refroidi qui pourrait-assurer seul le chauffage de cette dernière Toutefois, tout échauffement de l'air d'alimentation de la cabine est détecté par le capteur qui, à son tour, amène le contrôleur 153 à action- ner le mécanisme de commande 150, réglant ainsi la position des soupapes 40 et 140 pour abaisser la tempé- rature régnant dans la canalisation 112 et maintenir par conséquent la température constante désirée dans l'alimentation de la cabine. Bien que l'on ait illustré une forme de réali- sation particulière de la présente invention, l'homme de métier comprendra que d'autres formes de réalisa- tion équivalentes peuvent être envisagées Par exem- ple, bien que deux zones indépendantes seulement aient été illustrées, on comprendra que des zones supplémen- taires peuvent être prévues sans se départir de la présente invention De plus, des limites peuvent être prévues sur les capteurs et/ou les mécanismes de com- mande afin d'empêcher un givrage de l'air d'échappe- ment de la turbine du système C'est ainsi que, dans l'exemple illustré ci-dessus, le capteur 200 ou le mé- canisme de commande 195 peut être muni de limites ap- propriées afin d'empêcher l'air d'échappement de la turbine d'être entraîné en dessous d'une température prédéterminée alors que le capteur 200 contrôle la tem- pérature de l'air d'échappement de la manière décrite ci-dessus De la même manière, le capteur 153 ou le mécanisme de commande 150 peut être muni d'une butée appropriée pour empêcher l'air d'échappement du système de conditionnement d'air de descendre en dessous d'une température prédéterminée et éviter ainsi un givrage lorsque le capteur 153 demande un refroidissement plus intense de la cabine. REVENDICATIONS 1 Système de réfrigération cyclique par air dans lequel de l'air sous pression reçu par le système est soumis à une expansion et à un refroidis- sement dans une turbine, puis expulsé de cette derniè- ' re en direction d'une première et d'une seconde zone, ce système de réfrigération comprenant des soupapes de contrôle destinées à régler la température de l'air expulsé de la turbine en réponse à la température de l'air acheminé à la seconde zone, une première condui- te acheminant de l'air non refroidi en vue de son mé- lange avec l'air refroidi acheminé à la première zone, ainsi qu'une première soupape d'équilibrage communi- quant avec cette première conduite en vue de régler le débit de l'air non refroidi vers la première zone en réglant ainsi la température de cette dernière, carac- térisé en ce qu'il comprend également: une seconde conduite-acheminant de l'air non re- froidi en vue de son mélange avec l'air refroidi achemi- né à la seconde zone; une seconde soupape d'équilibrage communiquant avec cette seconde conduite pour régler le débit de l'air non refroidi-vers la seconde zone en vue du régla- ge de la température de cette dernière; et un mécanisme de commande actionnant à la fois-la première et la seconde soupape d'équilibrage en réponse à la température de la première zone, tout en effec- tuant une ouverture de chacune de ces soupapes d,'équili- brage alors que l'autre soupape reste fermée en vuedu maintien de la température désirée dans les première et seconde zones par une commande directe des première et seconde soupapes d'équilibrage dans le but de régler le mélange d'air non refroidi et d'air refroidi pénétrant dans les première et seconde zones, ainsi que par une commande indirecte des soupapes de contrôle moyennant un réglage de la température de lair acheminé à la - 12- seconde zone. 2 Système de réfrigération cyclique par air suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fonctionnement du mécanisme de commande a pour effet -de fermer progressivement la seconde soupape d'équili- brage au départ d'une position d'ouverture de celle-ci alors que la première soupape d'équilibrage est mainte- nue dans une position de fermeture, cette fermeture progressive étant suivie d'une ouverture progressive de la première soupape d'équilibrage alors que la se- conde soupape d'équilibrage reste fermée.