Brevet FR2598789A1 — publié le 19871120

La présente invention est relative à un détendeur thermostatique programmable. Dans les installations de machines thermodynamiques à échange de chaleur1 telles que les pompes à chaleur et/ou les groupes frigorifiques, un détendeur thermostatique tel que représenté en figure la peut être utilisé afin d'assurer les fonctions ci-après - faire subir au fluide thermique une perte decharge, grâce à un orifice calibré OC, afin de l'amener d'un état de haute pression HP à un état de basse pression BP, - alimenter un évaporateur EV à détente directe en maintenant une surchauffe constante à la sortie de l'évaporateur EV, le débit du fluide thermique étant ainsi régulé dans le circuit frigorifique en fonction de la surchauffe effectivement atteinte. On rappelle que la surchauffe du fluide thermique, celui-ci étant en phase gazeuse, est définie comme l'écart entre la température du fluide T et la température de vapeur saturante Tev correspondant à la pression du fluide Pev en sortie de l'évaporateur EV. Le cycle thermique complet pour une installation comportant en cascade un évaporateur EV, un compresseur COM, un condenseur CON et un détendeur DET, tel que représenté en figure la est représenté en figure lb pour mémoire. Afin de maintenir une surchauffe sensiblement constante, les systèmes actuels comparent deux pressions, la pression Pev du fluide thermique en sortie de l'évaporateur et la pression de surchauffe P représentative de la surchauffe à la sortie de l'évaporateur EV. Les deux pressions précitées agissent de manière antagoniste sur une membrane ME du détendeur, laquelle commande l'ouverture de l'orifice calibré OC. La pression PSUR est engendrée au moyen d'un fluide gazeux auxiliaire enfermé dans une capsule ou bulbe BU en contact thermique avec la sortie de l'évaporateur EV et dont la pression d'équilibre représente une mesure de la température, donc de la surchauffe, du fluide thermique en sortie de l'évaporateur EV. Un ressort de réglage RE permet d'étalonner le système en fonction des paramètres de fonctionnement tels que les températures de fonctionnement ou surchauffe. Bien que donnant satisfaction du point de vue du fonctionnement, ce type de dispositif présente l'inconvénient d'une absence quasi-totale de souplesse d'emploi, la nature du fluide thermique et du fluide auxiliaire ne pouvant être choisie que parmi un nombre de possibilités très limitées interdépendantes. Ainsi,pour un modèle de circuit frigorifique donné, les couples de fluide thermique - fluide auxiliaire susceptibles d'être utilisés sont très restreints, et chacun d'eux ne peut correspondre qu'à une ou à un nombre très limité d'applications. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités par la mise en oeuvre d'un détendeur thermostatique multifonctions, dans lequel le fluide auxiliaire est supprimé. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un détendeur thermostatique per mettant l'utilisation diversifiée de circuits frigorifiques du fait de la réduction du choix au seul fluide thermique en fonction de l'application ou utilisation considérée. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un détendeur thermostatique grâce auquel la seule adaptation nécessaire, en vue d'utilisation pour des fluides thermiques différents, consiste en une commutation de circuits électroniques. Le dé tendeur thermostatique programmable pour circuit frigorifique d'une machine thermodynamique à échange de chaleur objet de l'invention est remarquable en ce qu'il comprend des moyens de mesure de la température du fluide thermique en sortie de l'évaporateur, ces moyens délivrant un signal représentatif de cette température. Des moyens sont prévus pour assurer la conversion du signal délivré par les moyens de mesure de température en un signal représentatif, pour le fluide thermique considéré, de la pression de saturation fictive correspondant à la température du gaz surchauffé à atteindre. Des moyens détendeur comprennent une chambre d'admission et une chambre de détente du fluide thermique, les chambres étant en communication par l'intermédiaire d'un orifice calibré occultable par une soupape réglable. La soupape est commandée par un élément mobile actionné par des moyens de conversion du signal représentatif de la pression de saturation fictive en force. L'invention trouve application dans l'industrie des machines thermodynamiques à échange de chaleur pour la réalisation de pompes à chaleur ou de machines frigorifiques notamment. Elle sera mieux comprise à la lecture de la description et à l'observation des dessins ciaprès dans lesquels - les fioures la et lb relatives à l'art antérieur représentent un dé tendeur thermostatique classique et un diagramme de Mollier relatif à un circuit de machine thermique à échange de chaleur comportant un tel détendeur, - la figure 2 représente un schéma synoptique du dé tendeur thermostatique programmable objet de l'invention, - la figure 3 représente un mode de réalisation particulier avantageux du détendeur thermostatique programmable objet de l'invention, tel que représenté en figure 2, - la figure 4 représente un autre-mode de réalisation particulier avantageux du détendeur ther mostatique programmable objet de l'invention. - la figure 5 représente un mode de réalisation préférentiel de moyens de transcodage d'un signal représentatif de la température du fluide thermique,en sortie de l'évaporateur EV,en un signal représentatif de la pression de saturation fictive Psur. Le fonctionnement d'un détendeur de type classique tel que représenté en figure la sera tout d'abord rappelé succintementenrelation avec le diagramme de Mollier représenté en figure lb. Sur le diagramme de la figure lb, l'axe des abscisse est gradué en enthalpie, notée H, et l'axe des ordonnées en logarithme de la pression du fluide thermique. Le détendeur,tel que représenté en figure la, assurant la liaison entre la sortie du condenseur et l'entrée de l'évaporateur, ces points sur la figure lb étant notés respectivement sortie CON et entrée EV, celui-ci permet en fait d'assurer une détente isenthalpique ou à énergie constante du fluide thermique le traversant. Ainsi, le détendeur assure en fait, d'une part,une chute de pression ss P entre la haute pression HP du fluide et la basse pression BP de celui-ci, et d'autre part, une alimentation de l'évaporateur avec débit de fluide thermique compatible avec les caractéristiques d'une source froide. Bien entendu, le détendeur thermostatique programmable, objet de l'invention, permet d'assurer un fonctionnement analogue à celui représenté en figure la. Ainsi qu'il apparait en figure 2, le détendeur thermostatique programmable objet de l'invention, est remarquable en ce qu'il comprend des moyens notés 1, de mesure de la température du fluide thermique en sortie de l'évaporateur EV. Les moyens 1 de mesure de la température du fluide thermique peuvent être constitués par une sonde thermométrique telle qu'une résistance de platine, par exemple, placée en sortie du corps de l'évaporateur en contact étroit avec le fluide. Un montage détaillé de ce type d'élément ne sera pas décrit dans la mesure où l'utilisation de celui-ci est tout à fait classique. Les moyens de mesure de la température du fluide thermique délivre un signal de type analogique, représentatif de la température de ce fluide. En outre, des moyens 2 de conversion du signal délivré par les moyens de mesure de température sont prévus pour engendrer un signal représenta tif, pour le fluide thermique considéré, de la pression de saturation fictive Psur correspondant à la température du gaz surchauffé à atteindre. Des moyens détendeur 3 comprenant une chambre d'admission 30 et une chambre de détente 31 du fluide thermique sont en outre prévus, la chambre d'admission 30 étant bien entendu alimentée en fluide thermique à haute pression HP. Les chambres d'admission 30 et de détente 31 sont en communication par l'intermédiaire d'un orifice calibré 32, occultable ou réglable par une soupape réglable 33. La soupape 33 est elle-même commandée par un élément mobile 34 actionné par l'intermédiaire de moyens de conversion 4 du signal représentatif de la pression de saturation fictive Psur en force. Sur la figure 2, on a simplement représenté l'élément mobile 34 par un trait mixte de liaison entre la soupape 33 et les moyens de conversion 4. Une description plus détaillée de cet élément mobile sera donnée ultérieurement dans la description. Le fonctionnement du dé tendeur thermostatique, objet de l'invention, est le suivant. Sur détection de la température du fluide thermique en sortie de l'évaporateur 2b, les moyens de conversion permettent la détermination correspondante de la pression de saturation fictive Psur correspondant à la température du gaz surchauffé à atteindre, la valeur du signal correspondant permettant par l'intermédiaire des moyens de conversion 4 le réglage en conséquence de la soupape 33 et donc de la chute de pression 4P entre chambre d'admission 30 et chambre de détente 31, ainsi que du débit de fluide alimentant l'évaporateur EV. Selon un mode de réalisation particulier des moyens de conversion 4 du signal représentatif de la pression de saturation fictive Psur en force, représenté en figure 3, ces moyens peuvent comporter par exemple un amplificateur de tension 43 recevant le signal analogique représentatif de la pression Psur, cet amplificateur étant destiné à alimenter un moteur pas à pas 40, dont l'arbre moteur 401 est relié au moyen d'un mécanisme à l'élément mobile 34 commandant la soupape réglable 33. A titre d'exemple non limitatif, le moteur 40 peut être constitué par un moteur à courant continu ou un moteur pas à pas associé à un réducteur de couple noté 400.Le mécanisme précité peut consister en un système à ressort 402, lequel, par l'intermédiaire de deux bagues de butée 403 et 404, permet la transmission du mouvement de l'arbre du moteur 401 à l'élément mobile 34 et la transformation de ce mouvement en un mouvement de translation de l'élément mobile 34, permettant le réglage en position de la soupape de réglage 33. Sur la figure 3, on notera que la partie B du détendeur représentée peut avantageusement consister en un détendeur normalement disponible dans le commerce et commercialisé par la société DANFOSS, sous la référence PHT 85, la partie supérieure de ce détendeur classique étant supprimée et remplacée par la partie A telle que précédemment décrite et représentée en figure 3. Un autre mode de réalisation particulièrement avantageux des moyens de conversion 4 du signal représentatif de la pression de saturation fictive Psur en force, sera maintenant décrit en liaison avec la figure 4. Sur cette figure, on a représenté en B, schématiquement, un corps de détendeur sensiblement analogue à la partie B constituant le corps de détendeur de la figure 3. Bienentendu, dans le cas de la figure 4, un détendeur de même type que celui mentionné dans le cas de la figure 3, peut être utilisé. Les moyens de conversion 4 comprennent alors un générater de pression 41 commandé par le signal représentatif de la pression Psur, ce générateur de pression étant connecté à l'orifice d'alimentation 410 d'un corps de piston 420, comprenant un piston mobile 42 commandé en pression par le générateur de pression 41. Le piston mobile 42 est bien entendu mécaniquement couplé à la soupape réglable 33. On comprendra que dans ce cas, la chambre de contre-pression du piston 42 étant reliée à la pression atmosphérique par un ori fice 421, la commande en pression du piston 42 par le générateur de pression 41 permet d'assurer un fonctionnement analogue au dispositif tel que représenté en figure 3. A titre d'exemple non limitatif, le générateur de pression 41 peut être constitué par un vérin hydraulique. Dans tous les cas, la commande de moteur pas à pas ou du générateur de pression peut avantageusement 'être effectuée par l'intermédiaire d'un circuit de commande proportionnelle inigrab dérivée, circuit P. r. D. Un exemple de réalisation particulièrement avantageux des moyens de conversion du signal délivré par les moyens de mesure de température 1 en un signal représentatif, pour le fluide thermique considéré, de la pression de saturation fictive Psur sera décrit en liaison avec la figure 5. Selon cette figure, les moyens de conversion précités comprennent des moyens de transcodage notés 500, des valeurs du signal représentatif de la température en valeurs de pression de saturation fictive Psur. Ainsi qu'il apparaît en outre en figure 5, les moyens de transcodage 500 peuvent comporter des moyens 501 de conversion analogique-numérique du signal délivré par les moyens de mesure de température 1, et des moyens de mémorisation, notés 502, de valeurs de pression de saturation Psur.Les valeurs de pression de saturation Psur peuvent par exemple être mémorisées à des adresses correspondant aux valeurs numériques délivrées par les moyens de conversion analogique-numérique 501, en fonction de la valeur du signal analogique d'entrée délivré par les moyens de mesure de tempérture. Ainsi, pour une valeur déterminée du signal analogique délivré par la sonde thermométrique 1, la valeur numérique correspondante obtenue après conversion analogique numérique par l'intermédiaire du convertisseur analogique-numérique 501, permet la lecture directe des moyens de mémorisation 502 à l'adresse correspondante et l'obtention en sortie des moyens de mémorisation 502, d'un signal numérisé, représentatif de la pression Psur. En outre, et de manière avantageuse, les moyens de transcodage 500 peuvent comporter des moyens de conversion numérique-analogique 503, recevant la valeur numérique représentative de la pression Psur délivrée par les moyens de mémorisation 502, et per mettant d'engendrer un signal analogique représentatif de la pression Psur, autorisant la commande des moyens de conversion 4. De manière avantageuse, les moyens de mémorisation 502 sont constitués par une mémoire morte de type EPROM. En fait, on comprendra, conformément à un avantage essentiel de l'objet de l'invention, que les moyens de mémorisation peuvent en fait être constitués par une pluralité de mémoires mortes de type EPROM, ces mémoires étant par exemple commutables ou interchangeables, et correspondant à un fluide thermique déterminé. Ainsi, pour une température d'évaporation du fluide thermique notée Tev et une surchauffe de 50C par exemple, la sonde thermométrique 1 indique une température T en sortie de l'évaporateur EV, après la surchauffe. La valeur lue à l'adresse correspondante à ce signal est alors la pression de saturation fictive Psur du fluide thermique à la température de T - 5 C.Cette pression est alors exercée sur le piston 42 par exemple, par le générateur de pression 41. Dans le cas où T est inférieur à la température normale de fonctionnement, soit Tev + 50C, alors la pression Psur, correspondant à T - 50C, est inférieure à la pression dans la chambre 35 (cf. Fig.4). La soupape 36 vient obturer la communication entre la chambre 36 et la partie supérieure basse pression. Ainsi la Moyenne Pression MP dans la chambre 37 augmente du fait de la présence de petits canaux 38 entre la Haute Pression EP et la Moyenne Pression, M P. et l'orifice calibré 32 se ferme par l'intermédiaire de la soupape 33. Le débit de fluide thermique diminue et comme la puissance fournie à l'évaporateur est constante, la surchauffe augmente , ce qui est bien l'effet recherché. Dans le cas où au contraire la température T est supérieure à la température normale de fonctionnement, soit Tev + 50C, la pression Psur, correspondant à T - 50, est alors supérieure à la pression dans la chambre 35. Dans ce cas, la soupape 36 s'abaisse et la moyenne pression MP dans la chambre 37 diminue. Ainsi, l'orifice calibré 32 s'ouvre, par l'intermédiaire de la soupape 33, le débit de fluide thermique augmente et comme la puissance fournie à l'évaporateur est constante, la surchauffe diminue. On a ainsi décrit un détenteur programmable particulièrement avantageux en ce que, par seul changement ou commutation, approprié de mémoire 502, celui-ci permet tout en gardant te même corps de détente et sans aucune modification mécanique d'adapter immédiatement le détenteur, objet de l'invention, en n'importe quel fluide thermique nouveau, ou mélange non azéotropique, si les caractéristiques de celuici sont connues. Le détenteur programmable objet de l'invention, permet en outre, de façon avantageuse, de choisir la surchauffe désirée. En outre, le détenteur objet de l'invention reste utilisable avec une très grande précision sur toute gamme de températures. REVENDICATIONS 1. Détendeur thermostatique programmable pour circuit frigorifique d'une machine thermodynamique à échange de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens (1) de mesure de la température du fluide thermique en sortie de ltévaporateur (EV), lesdits moyens (1) délivrant un signal représentatif de ladite température, - des moyens (2) de conversion dudit signal délivré par des moyens de mesure de température en un signal représentatif, pour le fluide thermique considéré, de la pression de saturation fictive (Psur) correspondant à la température du gaz surchauffé à atteindre, - des moyens (3) détendeurs comprenant une chambre d'admission (30) et une chambre de détente (31) du fluide thermique, les chambres étant en communication par l'intermédiaire d'un orifice calibré (32) occultable par une soupape réglable (33), ladite soupape étant commandée par un élément mobile (34) actionné par des moyens de conversion (4) du signal représentatif de la pression de saturation fictive (Psur) en force. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (1) de mesure de la température du fluide thermique en sortie de l'évaporateur sont constitués par une sonde thermomotrique. 3. Dispositif selon l'une des revendications t ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de conversion du signal représentatif de la pression de saturation fictive (Psur) correspondant à la température du gaz surchauffé en force comprennent - un amplificateur de tension recevant le signal analogique représentatif de la pression (Psur), ledit amplificateur alimentant - un moteur pas à pas (40) dont l'arbre moteur (401) est relié, au moyen d'un mécanisme, à l'élément mobile (34) commandant la soupape réglable (33). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de conversion du signal représentatif de la pression de saturation fictive (Psur) correspondant à la température du gaz surchauffé comprennent : - un générateur de pression (41) commandé par ledit signal représentatif de la pression (Psur), - un piston mobile (42) commandé en pression par ledit générateur de pression (41), ledit piston mobile (42) étant mécaniquement couplé à ladite soupape réglable (33). 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la commande du moteur pas à pas ou du générateur de pression est effectuée par l'intermédiaire d'un circuit de commande proportionnelle intégrale dérivée (P.I.D.). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit générateur de pression est constitué par un vérin hydraulique. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de conversion du signal délivré par les moyens de mesure de température en un signal représentatif, pour le fluide thermique considéré, de la pression de saturation fictive (Psur) comprennent des moyens de transcodage (500) des valeurs du signal représentatif ae la température en valeurs de pression de saturation fictive (Psur). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de transcodage (500) comprennent - des moyens (501) de conversion analogique r.umé- rique du signal délivré par les moyens de mesure de température, - des moyens (502) de mémorisation de valeurs de pression de saturation (Psur), lesdites valeurs de pression de saturation (Psur) étant mémorisées à des adresses correspondant aux valeurs numériques déli virées par lesdits moyens de conversion analogique numérique en fonction de la valeur du signal analogique d'entrée délivré par les moyens de mesure de température. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de mémorisation sont constitués par une ou plusieurs mémoires mortes de type EPROM, lesdites mémoires étant commutables et correspondant à un fluide frigorifique déterminé.