Brevet FR2571127A3 — publié le 19860404

FR 2571127 A3 19860404 FR 8414981 A 19840928 La présente invention concerne une machine frigorifique réversible à quantite variable de fluide réfrigérant utile. On réalise maintenant de façon courante des machines frigorifiques réversibles comportant deux échangeurs principaux ayant généralement une capacité d'échange différente. Dans le régime normal, 1 'échangeur à forte capacité fonctionne en évaporateur et 1 1échangeur à faible capacité fonctionne en condenseur. Dans le regime inverse, utilisé en particulier pour le dégivrage lorsque la machine est une pompe à chaleur, 1 'échangeur à forte capacité fonctionne en condenseur et l'echangeur à faible capacite fonctionne en évaporateur. Dans le regime normal invoqué ci-dessus, la quantité de fluide réfrigérant utile necessaire est faible en raison de la capacite relativement faible du condenseur. Au contraire, dans le regime inverse tel que défini ci-dessus, la quantité utile de fluide réfrigérant est de préférence plus importante, car l'echangeur utilisé en co-ndenseur a un volume plus important. On sait que les circuits de fluide réfrigérant contenant une quantité fixe de fluide réfrigérant, c'est-à- dire ne comportant aucun moyen pour mettre en reserve une partie du fluide réfrigérant suivant le régime de fonctionnement de la machine frigorifique, présentent les inconvenients suivants - Lorsque la quantité de fluide réfrigérant est optimisée pour le fonctionnement normal tel que décri t ci-dessus, la faible quantité de fluide réfrigérant ne permet pas, lors de l'utilisation selon le régime inverse, une alimentation correcte de l'organe de détente qui doit normalement être alimenté en liquide et il en résulte une perte sensible de la puissance de l'appareil. - Au contraire, si la quantité de fluide refrige- rant est optimisée pour le régime inverse tel que décrit ci-dessus, il existe das le circuit un excès de fluide réfrigérant, lors du régime normal, avec un risque important de vaporisation incomplète du fluide réfrigérant dans 1 'évaporateur et donc un risque de deterioration du compresseur soit par aspiration de liquide dans le cas d'une détente par tube capillaire, soit par une augmentation anormale de la pression de condensation dans le cas d'une détente par un détendeur thermostatique. Pour résoudre ces problemes, on a déjà propose de mettre dans le circuit de fluide réfrigérant une bouteille réservoir disposée en série dans le circuit entre l'échangeur à faible capacité et l'organe de détente et équipée d'un plongeur. Un tel dispositif n'est toutefois pas compatible avec le fonctionnement d'une machine frigorifique reversible, car l'huile servant à lubrifier le compresseur, et qui doit normalement être en migration dans le circuit, est retenue par la bouteille réservoir et il est donc necessaire de rajouter un dispositif complexe de clapets anti-retour. De plus, cette solution n'est possible qu'avec un détendeur thermostatique car sa disposition dans le circuit empêche 1 'auto-régulation nécessaire dans le cas d'une détente par tube capillaire. On a également proposé une bouteille réservoir disposée de la même façon que précédemment, mais comportant deux plongeurs, chacun relié à un orifice de la bouteille. Comme dans le cas précédent, un dispositif de ce type ne peut pas être utilisé dans le cas d'une detente par un tube capillaire. De plus, dans le cas d'une utilisation avec un détendeur thermostatique, la présence d'un volume tampon important au moment du régime inverse introduit des retards dans le temps de réponse du détendeur, mettant en cause sa stabilite et pouvant entrainer la formation de liquide dans la branche de circuit d'admission du compresseur, et donc la détérioration de celui-ci. Il est également connu qu'en régime normal, lors de l'abaissement de la température du milieu entourant l'échangeur de grande capacité, le fluide réfrigérant risque de rester, au moins partiellement, à l'état liquide à la sortie de l'échangeur de grande capacité, ce qui endommage le compresseur. Un but de la presente invention est donc de proposer une machine frigorifique reversible à quantité variable de fluide réfrigérant utile ayant une structure simple et ne présentant pas les inconvénients de fonction nement des machines de l'art antérieur. Suivant l'invention, une machine frigorifique reversible comportant un compresseur relie à un circuit de fluide réfrigérant par l'intermediaire d'un organe d'inversion, un échangeur de faible capacité et un echangeur de forte capacite disposés en série dans le circuit de fluide réfrigérant, un organe de détente disposé en-tre les échan geurs en un point du circuit opposé à l'organe d'inversion, et au moins un volume de réserve étanche est caractérisée en ce que le volume de réserve est disposé- en contact ther mi que avec le circuit de fluide réfrigérant entre l'organe d'inversion et une première extrémité de l'organe de détente adjacente à l'échangeur de forte capacité, et com-- porte un orifice relié au circuit de fluide réfrigérant, entre l'organe de détente et 1 'échangeur de faible capacité ou en un point intermediaire de l'organe de détente. Ainsi, si le volume de réserve est relie au circuit de fluide réfrigérant entre l'organe de détente e-t I'écha-n- geur de faible capacité, il assure une variation rapide de la quantité de fluide refrigerant utile lors d'un changement de regime,et si le volume de réserve est relié en un point intermediaire de 1 'organe de détente, il assure une régulation lente de la quantité de fluide réfrigérant utile lors des variations de la température du milieu entourant l'échangeur de forte capacité. Selon une version avantageuse de l'invention, on prevoit un premier volume de reserve relie au circuit de fluide réfrigérant entre l'organe de détente et l'echangeur de faible capacité, et un second volume de réserve relié au circuit de fluide réfrigérant en un point intermédiaire de l'organe de détente. Ainsi, on obtient à la fois une variation rapide de la quantité de fluide réfrigérant utile lors d'un changement de régime et une régulation lente de la quantité de fluide réfrigérant utile lors de variations de la tempera- ture du milieu entourant l'échangeur de grande capacité. Selon une autre version avantageuse de l'invention, l'organe de détente comporte plusieurs éléments de détente en parallèle et l'échangeur de grande capacité comporte plusieurs éléments d'echange chacun raccordé en série à l'un des éléments de détente. Ainsi, lorsque 1 'échangeur fonctionne en évaporateur, une répartition régulière du fluide réfrigérant est obtenue dans chacun des éléments de détente et par voie de conséquence dans chacun des éléments d'échange. Selon un aspect préféré de cette version, 1 'ori- fice du second volume de réserve est raccorde à un seul des éléments de detente. Ainsi, on obtient une régulation de la quantité de fluide réfrigérant dans le circuit tout en conservant une structure simple pour la machine frigorifique. Selon un autre aspect préféré de l'invention, chaque volume de réserve est en contact avec le circuit de fluide réfrigérant entre l'organe d'inversion et une extrémite de l'échangeur de grande capacité immédiatement adjacente. Ainsi on a une différence de température importante entre les points de contact de chaque volume de réserve avec le circuit de fluide réfrigérant et le point de liaison de chaque volume de réserve avec le circuit de fluide réfrigérant de sorte que les reactions de régulation sont maximales. D'autres caractéristiques et avantages de 1 'inven- tion résulteront encore de la description ci-après d'un exemple non limitatif en référence au dessin unique annexé, constituant une représentation schématique de la machine frigorifique reversible selon l'invention. En référence au dessin, la machine frigorifique réversible comporte, d'une façon connue, un compresseur 1 relie à un circuit 2 de fluide réfrigérant par l'intermé- diaire d'un organe d'inversion 3, un échangeur de faible capacité 4 et un échangeur de grande capacité 5 disposés en série dans le circuit 2 de fluide réfrigérant, et un organe de détente 6 dispose entre les échangeurs 4, 5 en un point du circuit opposé à l'organe d'inversion 3. Selon l'invention, la machine frigorifique reversible comporte un premier volume de réserve 7 étanche, representé en coupe sur le dessin. Le volume de réserve 7 est disposé en contact thermique avec le circuit de fluide réfrigérant entre l'organe d'inversion 3 et une première extrémité 8 de l'organe de détente 6. Plus particulièrement, le volume de réserve 7 est traversé par le circuit de fluide réfrigérant et est disposé au voisinage d'une extrémité de l'échangeur 5 immédiatement adjacente à l'organe d'inversion 3. Le volume de réserve 7 comporte un orifice 9 relié par une conduite 10 au circuit 2 de fluide réfrigérant au voisinage d'une seconde extrémite 11 de l'organe de détente 6. Le fonctionnement du premier volume de réserve 7 est le suivant : en fonctionnement normal, le fluide réfrigérant circule dans le sens indique par les flèches pleines sur le dessin, c'est-à-dire depuis le compresseur 1 à travers l'organe d'inversion 3, vers 1 'échangeur 4 puis à travers l'organe de détente 6 et l'échangeur 5, et revient au compresseur 1 par l'intermédiaire de l'organe d'inversion 3. Dans ce régime, l'échangeur 4 fonctionne en condenseur et l'échangeur 5 fonctionne en évaporateur. Le point de jonction 12 entre la conduite 10 et le circuit 2 de fluide réfrigérant est à une temperature et une pression élevée, tandis que la partie 13 de circuit, comprise à l'intérieur du volume de réserve 7, est à une température basse. En conséquence, du fluide réfrigérant se condense dans le volume de réserve 7 jusqu'à ce que celui-ci soit rempli. La quantité de fluide réfrigérant dans le circuit 2 est alors proportionnée tant à la surface du condenseur 4 qu'à la surface de l'évaporateur 5 et la machine fonctionne de façon satisfaisante. Lorsqu'on inverse le sens de circulation du fluide réfrigérant, par exemple pour effectuer un dégivrage de l'échangeur 5, ce fluide circule suivant les flèches en pointillés sur le dessin et l'échangeur 5 fonctionne alors en condenseur, tandis que 1 'échangeur 4 fonctionne en évaporateur. La température de la partie de circuit 13 est alors élevee par rapport à celle du point de jonction 12, et le fluide réfrigérant contenu dans le volume dè réserve 7 se vaporise et retourne dans le circuit 2. On notera à ce propos que l'orifice 9 du volume de réserve 7 est de préférence disposé à la base de celui-ci. Dans ce cas en effet, dès le début de la vaporisation du fluide réfrigérant contenu dans le volume de réserve 7, la pression augmente dans le volume de réserve et chasse le fluide réfrigérant encore liqu-ide dans la conduite 10, ce qui permet un établissement très rapide d'un regime inverse stable. Pour accélérer les mouvements du fluide réfrigérant vers le volume de reserve 7 ou -à partir de celui-ci, on prevoit avantageusement de disposer un revêtement calorifuge 14 autour du volume de réserve 7. La machine frigorifique illustree comporte également un second volume de réserve 15 étanche, disposé en contact thermique avec le circuit 2 de fluide réfrigérant sensiblement au même endroit que le premier volume de reserve 7, ce second volume de réserve 15 comportant un orifice 16 relié par une conduite 17 au circuit 2 de fluide réfrigérant en un point intermediaire 18 de 1 'organe de détente 6. On notera à ce propos que pour permettre une liaison de la conduite 17 en un point intermédiaire de l'organe de détente 6, cet organe de détente doit être du type à tube capillaire, alors qu'une machine comportant seulement le premier volume de réserve 7 peut comporter un organe de détente du type détendeur thermostatique. La position du point de liaison 18 est déterminée par les considérations suivantes :.étant donné la perte de charge dans l'organe de détente 6, la pression au point de liaison 18 entre la conduite 17 et l'organe de détente 6 dépend de la distance D entre le point 18 et l'extrémité 11 de l'organe de détente 6. Par ailleurs, on sait que la température de vaporisation du fluide refrigerant dépend de la pression. Il est donc possible de calculer la position du point de liaison 18 pour qu'elle corresponde à une température donnée de vaporisation du fluide réfrigérant.En particulier, on peut donc déterminer la position du point de liaison 18 pour que la température de vaporisation du fluide réfrigérant en ce point soit supérieure de quelques degrés à la température de vaporisation du fluide refrigerant à la sortie de 1 'évaporateur 5 en régime normal. Dans ces conditions, le fonctionnement du second volume de réserve est le suivant : en régime normal d'utilisation de la machine, c'est-à-dire lorsque l'échangeur 5 fonctionne en évaporateur, et lorsque la température extérieure autour de 1 'échangeur 5 est suffisante pour que le fluide réfrigérant au niveau de la partie de circuit 19 en contact avec le second volume de reserve 15 soit à une température supérieure à la température de vaporisation au point de liaison 18, le second volume de reserve reste vide.Si au contraire, la température extérieure autour de l'échangeur 5 est telle que du fluide réfrigérant liquide subsiste dans le circuit au niveau de la partie 19 de ce circuit, cette partie de circuit est alors à une température inférieure à la temperature de vaporisation au point 18 et le fluide réfrigérant contenu dans le volume de réserve 15 se condense (on admet à ce propos que la conduite 17 constitue une perte de charge négligeable par rapport à la pression au point 18).La tonden- sation de fluide réfrigérant dans le second volume de reserve 15 diminue la quantité de fluide réfrigérant utile dans le circuit 2 et une meilleure vaporisation est obtenue dans l'evaporateur 5 On obtient ainsi une disparition du fluide réfrigérant liquide au niveau de la partie 19 du circuit, de sorte que le compresseur 1 fonctionne dans des conditions ne risquant pas d'entrai- ner sa détérioration. Parallèlement, la disparition de fluide réfrigérant liquide dans la partie 19 du circuit entraine une élévation de la température de cette partie et donc une vaporisation au moins partielle du fluide contenu dans le volume de réserve 15. Il se produit donc un léger phénomène de pompage alterné lent. Si la température extérieure remonte, la tempera- ture du fluide réfrigérant à la sortie de l'échangeur 5 s'élève egalement et le liquide contenu dans la seconde réserve 15 se vaporise et retourne dan-s le circuit 2. En raison de la faible différence de température qui existe normalement entre la température de vaporisation au point de liaison 18 et la température du fluide refrigérant dans la partie 19 du circuit, a régulation au moyen du second volume de réserve 15 est lente et n'entraine donc aucun à-coup qui serait préjudiciable à un bon fonctionnement de la machine frigorifique. De la même façon que pour le premier volume de réserve 7, le second volume de réserve 15 est de préférence calorifuge au moyen d'un revêtement calorifuge 20. Selon encore un autre aspect de l'invention, l'organe de détente 6 comporte plusieurs éléments de détente 21 reliés en parallèle sur le circuit 2 de fluide rëfrigerant et l'échangeur de grande capacité 5 comporte plusieurs éléments d'échange 22, chacun raccorde en série à l'un des éléments 21 de détente. Ainsi, le fluide réfrigerant qui arrive normalement à l'état liquide à l'entrée de l'organe de détente 6 se répartit uniformément dans les éléments 21 de détente, alors que dans les installations habituelles l'organe de détente est unique et la répartition est faite après l'organe de detente, c'est-àdire à un moment où le fluide réfrigérant est au moins partiellement à L'état gazeux, ce qui entraine une moins bonne répartition du fluide refrigerant dans l'échangeur 5. On remarque sur le dessin que pour assurer une bonne régulation au moyen du second volume de réserve 15, il suffit de raccorder celui-ci à un seul des elements 21 de détente. Afin de vérifier l'intérêt économique de 1 'inven- tion, des essais comparatifs ont éte effectues et peuvent être résumés de la façon suivante - Un premier essai a eté effectué avec une machine frigorifique à quantité de fluide réfrigérant utile constante, c'est-à-dire sans volume de réserve. La quantité de fluide réfrigérant était de 1,5 kg et correspondait à une quantité de fluide réfrigérant optimale pour le regime normal. L'air environnant 1 'échangeur 5 était à une température de - 2"C et l'hygrométrie de l'air ambiant était de 95%. La machine frigorifique a eté utilise en pompe à chaleur et la sortie d'eau chaude a été fixee à 45"C. Au bout de 14 heures de fonctionnement sans dégivrage, le régime a été inversé et pour obtenir un dégivrage total de l'échangeur 5 il a éte nécessaire de maintenir celui-ci pendant 20 mn. Pendant le cycle de dégivrage, on a observé une pression d'évaporation minimale de 1,4 kg/cm2 absolu. - La machine frigorifique a ensuite été équipée d'un premier volume de réserve pouvant contenir 0,7 kg de fluide réfrigérant à l'état liquide, c'est-à-dire que la quantité de fluide réfrigérant utile pouvait varier entre 1,5 kg et 2,2 kg. Un essai a été effectué dans les mêmes conditions que précédemment et il a été constaté que le dégivrage total de l'échangeur 5 était obtenu au bout de 7 mn seulement. il a en outre été observé que la pression d'évaporation minimale pendant le cycle de degivrage n'est pas descendue au-dessous de 2,4 kg/cm2 absolu. On constate donc que la machine selon l'invention permet d'obtenir un fonctionnement en dégivrage très supérieur à celui des machines antérieures. Par ailleurs, on a observe que lors du fonctionnement en cycle normal d'une machine ayant une quantité de fluide réfrigérant constante de 5 kg, et pour une température extérieure de - 8"C, une quantité de fluide réfrigérant à l'état liquide d'environ 400 g restait en permanence dans le compresseur et nuisait à son bon fonctionnement. Au contraire, après installation d'un second volume de réserve relié en un point de l'organe de détente correspondant à une température de vaporisation de 0 C, l'excès de fluide réfrigérant a été recueilli par le second volume de réserve et le compresseur s'est trouve exempt de fluide réfrigérant à l'état liquide ; son fonctionnement s'en est donc trouvé amélioré. Bien entendu, l'invention n'est pas limite aux modes de réalisation décrits ci-dessus et on peut y apporter des variantes d'exécution. Ainsi, on peut disposer les volumes de réserve en contact avec le circuit 2 de fluide réfrigérant sur la partie de circuit entre l'organe de detente et 1 'échan- geur 5. Dans ce cas, le fonctionnement est le même que celui énoncé précédemment, mais l'écart de température avec les points de raccordement 12 et 18 est plus faible et les réactions sont donc plus lentes. Bien que sur le dessin les volumes de réserve aient été représentés au-dessus de l'échangeur 5, on comprendra que leur position peut être quelconque, en particulier ils peuvent être à côté ou même en-dessous de l'échangeur si cela s'avere utile pour des questions d'encombrement. De même, la position respective des deux volumes de réserve est sans importance. REVENDICATIONS 1. Machine frigorifique réversible comportant un compresseur (1) relié à un circuit (2) de fluide réfrigérant par l'intermédiaire d'un organe d'inversion (3), un échangeur de faible capacité (4) et un échangeur de forte capacité (5) disposés en série dans le circuit (2) de fluide réfrigérant, un organe de détente (6) disposé entre les échangeurs (4, 5) en un point du circuit opposé à l'organe d'inversion (3) et au moins un volume de reserve étanche, caractérisée en ce que le volume de réserve (7, 15) est disposé en contact thermique aver le circuit de fluide réfrigéran-t entre l'organe d'inversion (3) et une première extrémité (8) de l'organe de détente (6) adjacente à l'échangeur (5) de forte capacité et comporte un orifice (9, 16) relié au circuit (2) de fluide réfrigérant entre l'organe de détente (6) et l'échangeur de faible capacité (4) ou en un point intermédiaire (18) de l'organe de détente. 2. Machine frigorifique conforme à la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un premier volume de réserve (7) relié au circuit (2) de refrigerant entre l'organe de detente (6) et l'échangeur de faible capacité (4), et un second volume de réserve (15) relié au circuit (2) de réfrigérant en un point intermédiaire (18) de l'organe de detente (6). 3. Machine frigorifique conforme à la revendication 1 ou à la revendication 2, caractérisée en ce que 1 'organe de détente (6) comporte plusieurs éléments (21) de détente en parallèle et en ce que l'échangeur de grande capacité (5) comporte plusieurs éléments (22) d'échange, chacun raccordé en série à l'un des éléments (21) de détente. 4. Machine frigorifique conforme à la revendication 3, prise dans son rattachement à la revendication 2, caractérisée en ce que l'orifice (16) du second volume (15) de réserve est raccordé à un seul des éléments (21) de détente. 5. Machine frigorifique conforme à 1 'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'un au moins des volumes de reserve est en contact avec le circuit (2) de fluide réfrigérant entre l'organe d'inversion (3) et une extrémité de l'échangeur (5) de grande capacité immédiatement adjacente. 6. Machine frigorifique conforme à 1 'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'orifice (9, 16) des volumes de réserve est dispose à la base de celui-ci. 7. Machine frigorifique conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les volumes de réserve (7, 15) sont traverses par le circuit (2) de fluide réfrigérant. 8. Machine frigorifique conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisee en ce que les volumes de réserve (7, 15) comportent un revêtement calorifuge (14, 20).