Brevet FR2685064A1 — publié le 19930618

DISPOSITIF ET PROCEDE DE CONDITIONNEMENT D'AIR UTILISANT UN CYCLE DE POMPE A CHALEUR La présente invention se rapporte à un dispositif de conditionnement d'air qui réalise sélectivement le fonction- nement en mode chauffage ou le fonctionnement en mode réfri- gération en utilisant un cycle de pompe à chaleur Le dispo- sitif ou le système de conditionnement d'air comprend un compresseur, un échangeur de chaleur intérieur, un tube de10 détente et un échangeur de chaleur extérieur reliés en série par un tube de circulation de réfrigérant Plus particuliè- rement, l'invention se rapporte à un dispositif de condi- tionnement d'air qui prévoit un condenseur auxiliaire adja- cent à un échangeur de chaleur extérieur et l'alimentation15 simultanée en réfrigérant à haute température déchargé d'un compresseur du condenseur auxiliaire et de l'échangeur de chaleur intérieur, de façon à provoquer en continu la fusion de la glace ou du givre qui se formerait sur l'échangeur de chaleur extérieur, et à obtenir ainsi un melleur rendement en20 mode chauffage L'invention concerne également un procédé de conditionnement d'air pour la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention. Dans la plupart des cas, un dispositif de conditionne- ment d'air classique réalise de façon répétitive et en série un processus de compression, de condensation, de détente et d'évaporation du fluide réfrigérant, de façon à obtenir un fonctionnement en mode réfrigération, le processus étant inversé de façon à réaliser un fonctionnement en mode chauf- fage.30 Cependant, du fait que le dispositif de conditionnement d'air réalise un fonctionnement en mode chauffage lorsque la température de l'air extérieur est inférieure à celle de l'air intérieur dans un local à chauffer, l'échangeur de chaleur extérieur, qui fait fonction dans cette situation de condenseur, collecte de la glace ou du givre sur sa surface d'échange de chaleur Ce phénomène nécessite la mise en oeu- vre d'un processus de dégivrage et l'arrêt du cycle de chauf- fage afin d'inverser temporairement le cycle de chauffage pour le transformer en un cycle de réfrigération afin de dégivrer l'unité extérieure Après que le givre présent sur l'échangeur de chaleur extérieur ait fondu, le fonctionnement en cycle de réfrigération est inversé pour revenir au mode de chauffage En d'autres termes, il est nécessaire de prévoir l'installation d'un appareillage de dégivrage individuel. Au cours du processus utilisant le cycle inversé, combiné au fonctionnement en réfrigération qui l'accompagne, l'arrêt temporaire du fonctionnement en mode chauffage dimi- nue non seulement le rendement en chauffage mais également la vitesse de dégivrage Au cours de l'utilisation de l'appa- reillage individuel de dégivrage, un autre problème réside dans le fait qu'il est nécessaire de prévoir une source de puissance additionnelle. Afin de résoudre quelques uns des problèmes mentionnés ci-dessus, on a proposé dans un système de conditionnement d'air d'installer un condenseur auxiliaire adjacent à l'é- changeur de chaleur extérieur Ce condenseur auxiliaire reçoit une partie du réfrigérant comprimé par le compresseur. La chaleur du réfrigérant est ensuite utilisée pour réaliser la fusion du givre ou de la glace présent sur l'échangeur de chaleur extérieur Cependant, ce processus ne peut être réa- lisé que pendant l'arrêt temporaire du fonctionnement en mode chauffage, et on ne peut pas réaliser un fonctionnement en mode chauffage qui soit continu, afin de maintenir le rende- ment du fonctionnement en mode chauffage Il en résulte des problèmes additionnels car l'on diminue le rendement du dis- positif de conditionnement d'air. L'un des buts de la présente invention est de proposer un dispositif de conditionnement d'air qui réalise une opé- ration de dégivrage en continu au cours du fonctionnement en mode chauffage sans avoir besoin d'arrêter le fonctionnement en mode chauffage afin d'inverser le fonctionnement du cycle de chauffage, de manière à obtenir un rendement accru au cours du fonctionnement en mode chauffage A cet effet, selon l'invention, le dispositif de conditionnement d'air qui comprend un compresseur, un échangeur de chaleur intérieur, un tube de détente et un échangeur de chaleur extérieur reliés en série par un tube de circulation de réfrigérant, est caractérisé en ce qu'il comporte une valve à quatre voies reliée à une entrée et à une sortie dudit compresseur; une première valve à trois voies reliée en parallèle à un tube de circulation de réfrigérant relié lui-même audit compresseur et audit échangeur de chaleur intérieur, et un tube de circulation de réfrigérant relié audit compresseur et audit échangeur de chaleur extérieur; un condenseur auxiliaire relié à une sortie de ladite valve à trois voies et une seconde valve à trois voies reliée à une sortie dudit condenseur auxiliaire, ladite seconde valve à trois voies étant reliée en parallèle audit tube de détente. En outre, les rapports entre la surface de transfert de chaleur dudit échangeur de chaleur intérieur et la surface de transfert de chaleur dudit échangeur de chaleur extérieur et celle dudit condenseur auxiliaire sont respectivement de 1/1/0,2 à 0,4. Le procédé pouf la mise en oeuvre du dispositif de conditionnement d'air selon l'invention est réalisé de la façon suivante Le réfrigérant est comprimé par un compres- seur et est orienté de manière à réaliser soit un cycle de réfrigération, soit un cycle de chauffage; selon le cycle ou mode réfrigération, on dirige le réfrigérant comprimé vers un échangeur de chaleur extérieur et vers un condenseur auxi- liaire, on dirige ensuite le réfrigérant qui a traversé ledit condenseur auxiliaire de manière telle qu'il se mélange avec le réfrigérant qui a traversé ledit échangeur de chaleur extérieur et on dirige ledit réfrigérant combiné vers un tube de détente, le réfrigérant qui a traversé ce tube de détente est ensuite ramené au compresseur à travers un échangeur de chaleur intérieur; selon le mode chauffage, on dirige le réfrigérant comprimé vers un échangeur de chaleur intérieur et vers un condenseur auxiliaire, on dirige le réfrigérant qui a traversé ledit condenseur auxiliaire de telle manière qu'il se mélange avec le réfrigérant qui a traversé ledit échangeur de chaleur intérieur et on dirige le réfrigérant ainsi mélangé vers un tube de détente, et ensuite on dirige le réfrigérant qui a traversé le tube de détente vers ledit compresseur via un échangeur de chaleur extérieur. Ainsi, en mode chauffage, le réfrigérant à température élevée et à pression élevée s'écoule dans le condenseur auxi- liaire ainsi que dans l'échangeur de chaleur intérieur La chaleur du condenseur auxiliaire permet de faire fondre la glace ou le givre qui s'est formé(e) sur l'échangeur de cha- leur extérieur du fait de la différence de température entre la température de l'échangeur de chaleur extérieur et celle de l'air extérieur Comme décrit ci-dessus, au cours du mode chauffage, le cycle de chauffage n'est pas interrompu et il n'est pas nécessaire d'installer un appareil de dégivrage additionnel autour de l'échangeur de chaleur extérieur afin de faire fondre la glace ou le givre présent sur cet échan- geur de chaleur extérieur. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaî- tront à la lecture de la description d'un mode de réalisation du dispositif de conditionnement selon l'invention, faite en regard du dessin annexé, dans lequel: la figure 1 est une représentation schématique desti- née à illustrer le dispositif de condi- tionnement d'air selon l'invention fonc- tionnant selon le mode réfrigération; et la figure 2 est une représentation schématique desti- née à illustrer le dispositif de condi- tionnement d'air selon l'invention fonc- tionnant selon le mode chauffage. Les figures 1 et 2 représentent schématiquement le dispositif de conditionnement d'air selon l'invention Ce dispositif de conditionnement d'air comporte un échangeur de chaleur intérieur 1 disposé dans un local ou autre lieu fermé dans lequel il est nécessaire de conditionner l'air par chauf- fage ou par réfrigération, un compresseur 2 disposé dans un emplacement extérieur ou ouvert sur l'ambiance extérieure, un échangeur de chaleur extérieur 3 disposé dans un emplacement extérieur ou ouvert sur l'extérieur, et un tube de détente 4 qui sert de dispositif de réduction de pression Ces compo- sants sont reliés en série par l'intermédiaire d'un tube de circulation de réfrigérant Une valve à quatre voies 5 est montée raccordée à l'entrée et à la sortie du compresseur 2, de telle façon que le réfrigérant puisse circuler selon un cycle ou un mode réfrigération ou selon un cycle ou un mode chauffage, en fonction-de la sélection d'écoulement réalisée sur cette valve à quatre voies 5 En outre, est prévu adja- cent à l'échangeur de chaleur extérieur 3 un condenseur auxi- liaire 6. Des valves à trois voies 7 et 8 sont disposées respec- tivement à l'entrée et à la sortie du condenseur auxiliaire 6 Un tube 13 est branché à la sortie du tube de circulation de réfrigérant 10 et peut relier le compresseur 2 au conden- seur auxiliaire 6, tandis qu'un autre tube 12 est branché à la sortie d'un tube de circulation de réfrigérant 11 et peut relier le compresseur 2 au condenseur auxiliaire 6 Au point de jonction ou d'intersection des tubes 12 et 13, est dispo- sée la valve à trois voies 7 de manière à permettre de sélec- tionner l'entrée d'écoulement, à partir du tube 12 ou à par- tir du tube 13 vers cette première valve à trois voies 7 La valve à trois voies 7 est également reliée au condenseur auxiliaire 6 par un tube 14 Un tube 15 partant du condenseur auxiliaire 6 est relié à la valve à trois voies 8 Un tube 17 se branche à la sortie de la valve à trois voies 8 et est relié à un tube 19 qui relie le tube de détente 4 à l'échan- geur de chaleur intérieur 1, tandis qu'un tube 16 part de la valve à trois voies 8 et est relié à un tube 18 qui lui-même relie le tube de détente 4 à la sortie de l'échangeur de chaleur extérieur 3 La valve à trois voies 8 sélectionne la direction d'écoulement, c'est-à-dire la sortie vers le tube 16 ou vers le tube 17. En mode réfrigération tel que représenté à la figure 1, la valve à quatre voies 5 est positionnée selon un circuit parallèle de telle façon que le tube de sortie 2 A soit relié au tube 11 et que le tube d'entrée 2 B soit relié au tube 10. Le tube 13 relié à la valve à trois voies 7, est obturé par cette dernière de telle façon que le tube 12 soit relié au tube 14 Le tube 17 relié à la valve à trois voies 8, est obturé par cette dernière de telle façon que le tube 15 soit relié au tube 16 Le réfrigérant gazeux comprimé par le compresseur 2 s'écoule à la fois dans le condenseur auxi- liaire 6, via la valve à trois voies 7, et dans l'échangeur de chaleur extérieur 3 Au cours de ce processus, l'échangeur de chaleur extérieur 3 sert de condenseur L'écoulement de sortie du tube 15 se raccorde à l'écoulement principal dans le tube 18 qui est relié à l'échangeur de chaleur extérieur 3 et au tube de détente 4 par l'intermédiaire de la valve à trois voies 8 L'écoulement combiné traverse le tube de dé- tente 4 et parvient à l'échangeur de chaleur intérieur 1, qui fait alors fonction d'évaporateur Le réfrigérant s'é- coule ensuite en retour vers le compresseur 2 qui aspire le réfrigérant liquide contenu dans l'échangeur intérieur 1 pour provoquer son ébullition et l'effet de réfrigération à l'in- térieur de l'échangeur intérieur 1 qui, à son tour, absorbe la chaleur de la pièce qu'il doit climatiser par sa surface extérieure, ce qui réalise l'opération de réfrigération. En mode chauffage tel que représenté à la figure 2, la valve à quatre voies 5 est positionnée de manière croisée, de telle façon que le tube de sortie 2 A soit relié au tube 10 et que le tube d'entrée 2 B soit relié au tube 11 Le tube 12 de la valve à trois voies 7 est obturé de telle façon que le tube 13 soit relié au tube 14 Le tube 16 de la valve à trois voies 8 est obturé de telle façon que le tube 15 soit relié au tube 17 Le fluide réfrigérant gazeux comprimé par le compresseur 2 s'écoule dans le condenseur auxiliaire 6 à travers la valve à trois voies 7 et, en même temps, s'écoule vers l'échangeur de chaleur intérieur 1 Au cours de ce pro- cessus, l'échangeur de chaleur intérieur 1 fait fonction de condenseur L'écoulement à la sortie du tube 15 rejoint l'é- coulement principal dans le tube 19 qui est relié à l'échan- geur de chaleur intérieur 1 et au tube de détente 4 via la valve à trois voies 8 L'écoulement combiné traverse le tube de détente 4 et entre dans l'échangeur de chaleur extérieur 3, qui fait alors fonction d'évaporateur Le réfrigérant retourne alors au compresseur 2 qui provoque son ébullition par aspiration dans l'échangeur extérieur 3 qui est refroidi intérieurement par le fluide réfrigérant et réchauffé exté- rieurement par l'atmosphère extérieure On réalise ainsi, par le cycle décrit ci-dessus, l'opération de chauffage Du fait que la température ambiante extérieure est généralement basse pendant le fonctionnement en mode chauffage, du givre ou de la glace se développe sur la surface de l'échangeur de cha- leur extérieur 3, qui fait alors fonction d'évaporateur De l'air chaud produit par la chaleur du condenseur auxiliaire 6 est soufflé par un ventilateur adéquat (non représenté) sur l'échangeur de chaleur extérieur 3, de façon à faire fondre ce givre On peut utiliser un ventilateur du même type pour souffler sur le condenseur auxiliaire 6, de préférence dans la direction opposée, pour accélérer le refroidissement du condenseur auxiliaire 6 en mode réfrigération. Afin d'augmenter le rendement de l'échangeur de cha- leur, il est bien connu que le rapport entre la surface d'é- change de chaleur de l'évaporateur et celle du condenseur doit être d'environ de 1/1,2 à 1,4 Dans le présent mode de réalisation, la surface de transfert de chaleur de l'échan- geur de chaleur intérieur 1 est prise égale à 1 et celle de l'échangeur de chaleur extérieur 3 est prise égale à 1 égale- ment, tandis que celle du condenseur auxiliaire est comprise entre 0,2 et 0,4 Ainsi, aussi bien dans le mode chauffage que dans le mode réfrigération, les rapports des surfaces d'échange de chaleur de l'évaporateur et du condenseur sont toujours respectivement de 1/1,2 à 1,4. La présente invention permet de disposer d'un échangeur de chaleur qui réalise une fonction de dégivrage en continu au cours du fonctionnement en chauffage sans devoir interrom- pre le fonctionnement en mode chauffage et sans avoir à in- verser l'écoulement au cours du cycle de chauffage, de maniè- re à obtenir un rendement élevé en fonctionnement selon le mode chauffage. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de conditionnement d'air comprenant un compresseur, un échangeur de chaleur intérieur, un tube de détente et un échangeur de chaleur extérieur reliés en série par un tube de circulation de réfrigérant, caractérisé en ce qu'il comporte: une valve à quatre voies ( 5) reliée à une entrée ( 2 B) et à une sortie ( 2 A) dudit compresseur ( 2); une première valve à trois voies ( 7) reliée en paral- lèle à un tube de circulation de réfrigérant ( 10) relié lui-même audit compresseur ( 2) et audit échangeur de chaleur intérieur ( 1) et un tube de circulation de réfrigérant ( 11) relié lui-même audit compresseur ( 2) et audit échangeur de chaleur extérieur ( 3); un condenseur auxiliaire ( 6) relié à une sortie de ladite valve à trois voies ( 7); et une seconde valve à trois voies ( 8) reliée à une sortie dudit condenseur auxiliaire ( 6), ladite seconde valve à trois voies étant reliée en parallèle audit tube de détente ( 4). 2. Dispositif de conditionnement d'air selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que les rapports entre la surface de transfert de chaleur dudit échangeur de chaleur intérieur ( 1) et celle dudit échangeur de chaleur extérieur ( 3) et dudit condenseur auxiliaire ( 6) sont respectivement -de: 1/1/0,2 à 0,4. 3. Procédé de conditionnement d'air consistant à réa- liser une sélection pour orienter un fluide réfrigérant comprimé par un compresseur de manière à réaliser soit un cycle de réfrigération, soit un cycle de chauffage, caracté- risé en ce qu'il comporte les étapes consistant: A) selon un cycle réfrigération, à diriger le réfrigérant comprimé vers un échangeur de chaleur extérieur et un condenseur auxiliaire; à diriger le réfrigérant qui a traversé ledit condenseur auxiliaire de manière telle qu'il se mélange avec le réfrigérant qui a traversé ledit échangeur extérieur et à diriger ledit réfrigé- rant combiné vers un tube de détente; à diriger le réfrigérant qui a traversé ledit tube de détente vers ledit compresseur via un échangeur de chaleur inté- rieur, B) selon un cycle de chauffage, à diriger le réfrigérant comprimé vers un échangeur de chaleur intérieur et un condenseur auxiliaire; à diriger le réfrigérant qui a traversé ledit condenseur auxiliaire pour qu'il se mélange avec le réfrigérant qui a traversé ledit échan- geur de chaleur intérieur et à diriger ledit réfrigé- rant combiné vers un tube de détente; et à diriger le réfrigérant qui a traversé ledit tube de détente vers ledit compresseur via un échangeur de chaleur extérieur.