Brevet FR2574192A1 — publié le 19860606

- 1 - Dispositif à capteur pour la détection de dépôts de givre L'invention concerne un dispositif à capteur pour la dé- tection de dépôts de givre, notamment sur les évaporateurs d'installations frigorifiques ou appareils analogues. Dans les installations frigorifiques ou appareils analo- gues, lorsque la vapeur d'eau de l'air contenu dans l'enceinte réfrigérée est sursaturée, elle se condense sur les ailettes de l'évaporateur par suite du refroidissement et forme de ce fait du givre sur ces ailettes. Lorsque du givre se forme ain- si, une partie de la chaleur nécessaire dans l'évaporateur pour provoquer l'évaporation du liquide frigorigène ne pro- vient pas du milieu ambiant, ce qui serait nécessaire pour abaisser la température de ce milieu, et c'est la chaleur de condensation dégagée lors de la formation du givre qui est utilisée à cette fin. Par ailleurs, dans le cas de givrage, il se produit une augmentation de la surface solide sur la- quelle la condensation de la vapeur d'eau peut se produire. Ces phénomènes ont pour résultat global que le rendement de l'installation frigorifique diminue continuellement, de sorte qu'il faut finalement procéder à l'élimination du givre accu- mulé sur l'évaporateur, c'est-à-dire au dégivrage de celui-ci, ce qui nécessite un nouvel apport d'énergie. Le dégivrage est effectué à l'aide d'éléments chauffants tubulaires électriques incorporés qui traversent les ailettes de l'évaporateur entre les tubes de fluide frigorigène, com- me ces tubes, par exemple; ces éléments chauffants tubulaires - 2 - électriques sont appelés "éléments chauffants de dégivrage". Comme l'opération de dégivrage doit être exécutée dans un temps court - il faut éliminer le givre sans fournir de cha- leur à l'enceinte réfrigérée -, la puissance électrique néces- saire est relativement grande. Le dégivrage des évaporateurs est effectué actuellement de différentes façons. Le plus souvent, le dégivrage est ef- fectué périodiquement, c'est-à-dire que l'on prévoit une minu- terie qui met sous tension les éléments chauffants de dégi- vrage à des intervalles de temps prédéterminés, grâce à quoi les ailettes de l'évaporateur sont débarrassées périodiquement du givre qui se forme. Dans ce procédé de dégivrage par mise sous tension périodique des éléments chauffants de dégivrage, il ne peut être tenu compte de l'épaisseur de la couche de givre, ce qui revient à dire que le dégivrage ne peut pas être effectué de façon optimale, c'est-à-dire lorsque la couche de givre a atteint une épaisseur déterminée et non excessive, et qu'il est effectué éventuellement trop tôt - alors qu'il n'y a encore que peu ou pas de givre - ou trop tard - alors que l'évaporateur est déjà fortement givré. On s'est efforcé d'améliorer cette situation en commandant la mise sous ten- sion des éléments chauffants de dégivrage non pas en fonction du temps, mais en fonction de la température à l'aide d'une thermistance, c'est-àdire d'une résistance dont la valeur ohmique dépend de la température (voir la demande de brevet US-PS 43 05 259). Cependant, la période de chauffage reste fixe ici aussi. Dans ce procédé également, la détection du givre, caractérisé par sa faible densité, n'est guère possible par suite de la faible valeur de son coefficient de conducti- vité thermique. Un autre procédé tient compte de ce que, lorsque l'épais- seur du dépôt de givre sur les ailettes de l'évaporateur aug- - 3 - mente, le débit d'air dans celui-ci diminue. On détermine a- lors la différence entre la pression mesurée en amont de l'é- vaporateur et la pression mesurée en aval de celui-ci. Cepen- dant, la présence de corps étrangers entre les ailettes de l'évaporateur peut provoquer des dégivrages intempestifs et ce système ne permet pas de déterminer l'épaisseur de givre avec une précision suffisante. Dans un autre procédé connu, un rayon lumineux est dirigé 1o vers un récepteur optique, de sorte que lorsque la propagation du rayon lumineux est arrêtée par la formation de givre, un signal est émis et commande la mise sous tension des éléments chauffants de dégivrage. Dans ce procédé également, des er- reurs dues à la présence de corps étrangers entre les ailet- tes de l'évaporateur ou à la formation de givre sur l'émetteur ou le récepteur peuvent provoquer une mise sous tension pres- que permanente des éléments chauffants de dégivrage alors que l'épaisseur de la couche de givre sur les ailettes ne le jus- tifie pas, Enfin, on connaît la régulation de température par thermostat. Cette régulation ne convient pas dans le cas du givrage. Une méthode de mesure différente, fondée sur des va- riations de conductibilité électrique, fait appel à des élec- trodes servant de sondes de mesure, de la neige ou de la glace ou un autre corps contenu dans un boîtier étant d'abord fondu et le liquide situé entre les électrodes commandant ainsi la mise sous tension des éléments chauffants de dégivrage (voir les demandes de brevet DE-OS 21 51 876 et 31 09 366 et DE-AS 14 489). Le même principe est appliqué dans un procédé de commande de dégivrage dans lequel la conductibilité électrique entre deux électrodes voisines est mesurée directement, sans chauffage (voir la demande de brevet DE-OS 33 10 327). Par ailleurs, la demande de brevet DE-OS 21 04 302 décrit un dis- positif dans lequel de la chaleur est produite à l'aide d'un courant et d'une pièce métallique faisant fonction de résis- tance électrique, un thermocouple étant soudé sur la pièce métallique et le retard à l'échauffement de celle-ci déterminé à l'aide du thermocouple permettant de déceler la formation de givre sur cette pièce. D'une façon générale, dans les procédés connus, des si- gnaux de mise en circuit ou hors circuit des éléments chauf- fants de dégivrage sont inutilement émis, ce qui entraiîne une consommation d'énergie inutile et conduit à un coût excessif du dégivrage. La présente invention a pour but de remédier à cet état de choses en proposant un dispositif à capteur qui évite ces inconvénients et permet de mesurer l'épaisseur de la couche de givre avec une grande précision et, en fonction du résultat de la mesure et d'une valeur préréglée, émet un signal commandant la mise sous tension des éléments chauf- fants de dégivrage. Le problème considéré est résolu dans le dispositif à capteur selon l'invention mrlentionné-au début du présent mé- moire par le fait qu'entre une source de chaleur et un capteur de température disposés l'un en face de l'autre et à une cer- taine distance l'un de l'autre, on prévoit une liaison ther- mique constituée d'une matière dont la conductivité thermique est du même ordre de grandeur que celle du givre. Si le dis- positif selon l'invention est prévu et conçu notamment pour la détection du givre sur les ailettes de l'évaporateur d'une installation frigorifique, il est aussi utilisable pour la détection de la neige ou la glace dans les aiguilles des voies ferrées, les gouttières, etc. L'invention part du fait que la chaleur produite par la source de chaleur parvient au capteur de température et est détectée par celui-ci; l'idée- de l'invention est que le gi- - 5 vrage a pour résultat qu'une quantité de chaleur relativement grande, à savoir du même ordre de grandeur que la quantité de chaleur qui parvient au capteur de température en provenan- ce de la source de chaleur, est soustraite au flux de chaleur émis par ladite source, de sorte que la quantité de chaleur qui parvient au capteur de température est beaucoup moins grande en présence de givre qu'en l'absence de celui-ci et que la différence entre la quantité de chaleur reçue en l'a- bsence de givre et la quantité de chaleur reçue en présence de celui-ci est du même ordre de grandeur que la quantité de chaleur reçue en l'absence de givre. Pour cela, il est essen- tiel que la conductivité thermique de la matière qui relie la source de chaleur au capteur de température soit du même ordre de grandeur que la conductivité thermique du givre. Si la matière de liaison avait une conductivité thermique beau- coup plus grande que celle du givre, le résultat serait que, même en présence de givre, qui a une très faible conductivité thermique par suite de sa porosité, la quantité de chaleur soustraite, c'est-à-dire absorbée par le givre, serait très faible, la majeure partie de la chaleur produite par la source de chaleur étant reçue par le capteur de température, tandis que ladite quantité de chaleur soustraite, qui serait mesurée en pour mille ou tout au plus en quelques pour cent de la quantité de chaleur parvenant au capteur de température, se- rait comprise dans l'intervalle des erreurs de mesure dues, par exemple, à des températures de refroidissement différen- tes, aux tolérances des composants électroniques, etc., si bien qu'aucun signal utile ne serait émis, c'est-à-dire que malgré le givrage, le capteur de température ne fournirait aucun signal pour commander la mise sous tension des éléments chauffants de dégivrage. Dans le dispositif selon l'invention, il est, au contrai- re, possible d'obtenir de façon suffisamment précise un signal - 6 électrique pour commander la mise sous tension des éléments chauffants de dégivrage en partant de la différence suffisante entre les flux de chaleur parvenant au capteur de température en présence et en l'absence de givre et de la différence cor- respondante entre les actions produites sur ce capteur. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la source de chaleur et le capteur de température sont montés dans un boîtier commun qui forme la liaison dont la conduc- tivité thermique est du même ordre de grandeur que celle du givre. Comme matériau pour le boîtier en forme de douille uti- lisé dans l'invention, on peut choisir une matière figurant dans les tables correspondantes et satisfaisant aux conditions posées dans la solution adoptée (tables de Duddel, par exem- ple). Un matériau préféré pour la douille du boîtier est no- tamment le caoutchouc aux silicones additionné de charges tel- les que le noir de fumée car, en plus de sa conductibilité thermique réglable par l'intermédiaire de sa densité et notam- ment de la charge de noir de fumée, ce caoutchouc possède la stabilité dimensionnelle nécessaire et l'élasticité souhaita- ble. La source de chaleur est, de préférence, une thermistance à coefficient de température positif, c'est-à-dire une ther- mistance dont la valeur ohmique augmente quand la température s'élève, souvent appelée "thermistance à CTP". Avec une telle source de chaleur, les fluctuations de la quantité de chaleur qui parvient au capteur de température sont minimales, même en présence de conditions d'ambiance variables (en supposant un même degré de givrage). Si l'on emploie une telle thermis- tance comme source de chaleur, le dispositif à capteur de l'in- vention peut être réalisé en partant d'un élément chauffant à résistance du genre douille comme dans la demande de brevet DE-PS 29 48 592 en ajoutant à la thermistance à coefficient de température positif utilisée comme source de chaleur dans 7 - la douilleun capteur de température et, si le circuit exté- rieur est connecté à la thermistance à l'aide de lamelles de contact métalliques, en faisant attention à ce que les dimen- sions des lamelles soient bien adaptées à celles de la ther- mistance et en n'oubliant pas qu'elles ne doivent en aucun cas aller jusqu'au capteur de température pour ne pas former de pont thermique, c'est-à-dire de chemin à haute conductivité thermique, entre la source de chaleur et le capteur de tem- pérature. Dans cette forme de réalisation, le capteur de température est une thermistance à coefficient de température négatif, c'est-à-dire une thermistance dont la valeur ohmique diminue lorsque la température augmente, souvent appelée "thermistari- ce à CTN", mais peut aussi être un dispositif à semiconducteur et notamment un capteur au silicium, la plage de mesure pré- cise de ce type de capteur de température s'étendant de -50 à 0O C. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention res- sortent des revendications et de la description donnée ci- après, dans laquelle une forme de réalisation est décrite en détail à l'aide des dessins annexés à titre d'exemple. La figure 1 est une coupe longitudinale du dispositif à capteur selon l'invention. La figure 2 est une coupe du dispositif à capteur de la figure 1 suivant le plan i-I de cette figure. La figure 3 représente le dispositif à capteur de la fi- gure I monté entre deux ailettes d'un évaporateur d'une ins- tallation frigorifique, ladite installation étant représentée à l'état non givré. -8' La figure 4 est semblable à la figure 3, mais avec du gi- vre formé entre le dispositif à capteur et les ailettes. La figure 5 est une représentation schématique de la ré- partition du flux de chaleur dans l'état de l'évaporateur de la figure 3. La figure-6 est une représentation semblable à la figure , mais dans l'état de la figure 4. Le dispositif à capteur selon l'invention 1 comporte une douille extérieure 2 constituée d'un matériau dont le coeffi- cient de conductivité thermique X est du même ordre de gran- deur que celui du givre: = 0,09 W/mK (le'coefficient de con- ductivité thermique de la neige dépend fortement de la densité de celleci et va de 0,05 pour une densité de 100 kg/n ou moins à 0,52 W/mK environ pour une densité de 400 kg/nf; la conductivité thermique du givre est égale à celle de la neige non tassée à densité de 100 à 150 kg/nf). Les dimensions de. la douille 2 proprement dite ne sont pas trés critiques. Ha- bituellement, une telle douille a une longueur de 5 à 8 cm, un diamètre de 0,5 à 1,5 cm et une épaisseur de paroi de 0,2 à 0,5 cm, par exemple. Comme matériau pour la douille, on peut choisir une matière à conductivité thermique appropriée dans les tables de coefficients de conductivité thermique que l'on trouve dans les publications spécialisées. Un matériau préféré est le caoutchouc aux silicones chargé de noir du fumée pour diminuer sa conductibilité thermique ou une matière plastique équivalente possédant également la haute résistance mécanique nécessaire en plus de la conductibilité thermique appropriée. Il est également possible d'amener le coefficient de conduc- tivité thermique du caoutchouc aux silicones ou autre matiè- re de la douille 2 à la valeur voulue par addition d'un pour- g- centage approprié de particules d'oxyde de manganèse MgO. La douille 2 comporte une cavité dans laquelle un élément chauf- fant 3 et un élément sensible à la température 4 sont dispo- sés l'un en face de l'autre et à une certaine distance l'un de l'autre. Dans la forme de réalisation représentée, l'espace compris entre l'élément chauffant 3 et l'élément sensible à la température 4 est vide, c'est-à-dire rempli d'air. Il pour- rait aussi être rempli du matériau de la douille 2. L'élément chauffant 3 est, de préférence, une thermistance autostabili- sée à coefficient de température positif, mais peut aussi être une résistance fixe ordinaire. L'élément chauffant 3 constitué par la thermistance à coefficient de température positif est muni de contacts métalliques sur ses faces 6 et 7, contacts d'o partent les fils de connexion 8 et 9 qui sortent de la douille 2. Les fils de connexion 8 et 9 sont connectés à une source de tension. L'élément sensible à la température 4, qui constitue le capteur de température, peut être une thermistance à coeffi- cient de température négatif, c'est-à-dire une thermistance dont la valeur ohmique diminue lorsque la température augmen- te, souvent appelée "thermistance à CTN". D'autres types de capteur de température tels qu'un thermocouple ou un capteur au silicium notamment peuvent aussi être utilisés. L'élément sensible à la température 4 fournit un signal qui varie avec la température et est transmis par les fils de connexion 11 et 12 pour commander la mise sous tension ou hors tension des éléments chauffants de dégivrage. La disposition d'un dispositif à capteur 1 selon l'inven- tion dans un évaporateur d'une installation frigorifique est représentée aux figures 3 et 4. Un tel évaporateur comporte des ailettes traversées par des tuyaux parcourus par le li- - 10 - quide frigorigène, ce liquide étant évaporé dans les tuyaux par détente et l'évaporation absorbant de la chaleur du mi- lieu ambiant par l'intermédiaire des ailettes, ce qui abais- se la température de l'enceinte réfrigérée. Le refroidisse- ment a pour effet que la vapeur d'eau généralement présente dans l'air de l'enceinte réfrigérée se condense sur les ailet- tes o elle gèle en formant du givre (figure 4). La formation de givre, ou givrage, est à éviter car une grande partie de la puissance frigorifique est alors dépensée non pas pour abaisser la température dans l'enceinte réfrigérée, mais pour la formation du givre, cette formation conduisant en outre à une augmentation de la surface de condensation et, par con- séquent, à une augmentation cumulative des pertes de puissance frigorifiques dues à la condensation. Il faut donc empêcher la formation du givre ou, tout au moins, l'arrêter suffisam- ment tôt. S'il n'y a pas de givre sur les ailettes de l'évaporateur (cas de la figure 3), une partie de la chaleur produite par l'élément chauffant 3 se propage par la douille 2 jusqu'à l'é- lément sensible à la température 4 tandis qu'une partie moins grande, mais en principe du même ordre de grandeur, est rayon- née par la surface extérieure de ladite douille. Cette répar- tition est représentée à la figure 5. Les pourcentages indi- qués à la figure 5 ne sont que des valeurs données à titre indicatif, c'est-à-dire des évaluations grossières. Si, main- tenant, du givre se forme sur les ailettes 13 et vient alors en contact avec l'élément sensible à la température 4, le fait que le coefficient de conductivité thermique du matériau de la douille 2 est du même ordre de grandeur que celui du givre (et qu'il ne lui est pas nettement supérieur) a pour résultat qu'une partie plus grande de la chaleur produite par l'élé- ment chauffant 3 est d'abord cédée au givre (par suite de sa - 11 - conductivité thermique plus grande que celle de l'air: envi- ron 0,02 W/mK à -200 C) et ne contribue de toute façon qu'à une très faible augmentation de la température du givre par suite de la masse de celui-ci, dans lequel elle se répartit par dissipation et o elle est éventuellement utilisée comme chaleur de fusion, c'est-à-dire absorbée, ou peut être cédée plus facilement au milieu ambiant par la surface des ailettes agrandie par le givre. Cette répartition de la température est représentée à la figure 6. Grâce au fait que le coeffi- cient de conductivité thermique du matériau de la douille 2 est du même ordre de grandeur que celui du dépôt de givre, la chaleur reçue par l'élément sensible à la température 4 varie d'une valeur qui est du même ordre de grandeur que la chaleur reçue en l'absence de givre, ce qui permet de la me- surer ou l'exploiter simplement et à peu de frais pour obtenir un signal pour commander la mise en circuit des éléments chauf- fants de dégivrage. Le signal fourni par le dispositif à cap- teur 1 ne peut notamment pas être perturbé par les conditions d'ambiance ni les sources d'erreurs telles que des variations de la puissance frigorifique de la machine frigorifique, par exemple. Si le coefficient de conductivité thermique du maté- riau qui relie l'élément chauffant 3 à l'élément sensible à la température 4 était nettement plus grand que celui du gi- vre, le flux de chaleur reçu par ledit élément sensible et qui, en l'absence de dépôt de givre, est de près de 100 % du flux de chaleur émis, ne varierait qu'en pour mille ou tout au plus de quelques pour cent en présence de givre et serait ainsi d'un ou deux ordres de grandeur inférieur au flux de chaleur en l'absence de givre, si bien que cette différence ne pourrait pas produire un signal utilisable. C'est-pour cet- te raison que la douille 2 et les autres pièces éventuelles reliant l'élément chauffant 3 à l'élément sensible à la tem- perature 4 ne peuvent en aucun cas être constituées d'un mé- tal. 2574 1 92 - 12 - Revendications 1. Dispositif à capteur pour la détection de dépôts de givre, notamment dans les évaporateurs des installations frigorifi- ques ou appareils analogues, caractérisé en ce qu'entre une source de chaleur (3) et un capteur de température (4) dis- posés l'un en face de l'autre et à une certaine distance l'un de l'autre, une liaison thermique est réalisée par une matiè re dont la conductivité thermique est du même ordre de gran- deur que celle du givre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de chaleur (3) et le capteur de température (4) sont disposés dans un boîtier commun (2) et que ce boitier forme la liaison thermique dont la conductivité thermique est du même ordre de grandeur que celle du givre. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le boîtier (2) a la forme d'un cylindre. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le boîtier (2) a la forme d'un parallélépipède rectangle. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caracté- risé en ce que la source de chaleur (3) est une thermistance à coefficient de température positif. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caracté- risé en ce que la source de chaleur (3) est un élément chauf- fant électrique à résistance fixe. - 13 - 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caracté- risé en ce que le capteur de température (4) est une thermis- tance à coefficient de température négatif. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caracté- risé en ce que le capteur de température (4) est un thermo- couple. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caracté- risé en ce que le capteur de température (4) est un capteur de température à semiconducteur.