Brevet FR2745894A1 — publié le 19970912

L'invention a pour objet un échangeur de chaleur, tel qu'un évaporateur ou un condenseur, à accumulation, utilisable par exemple dans un réfrigérateur ou un congélateur ou un appareil combiné. Un appareil à génération de froid, tel qu'un réfrigérateur ou un congélateur, comporte habituellement dans son circuit frigorifique un évaporateur, qui permet à un fluide liquide de se détendre, se transformer en gaz et produire du froid, et un condenseur qui retransforme ce gaz en fluide liquide ; le circuit frigorifique comporte encore un compresseur qui aspire le fluide frigorigène gazeux sortant de l'évaporateur, le comprime et le refoule vers le condenseur, le cycle se reproduisant jusqu'à ce que le besoin de froid soit satisfait. L'air du volume intérieur du réfrigérateur ou du congélateur doit par ailleurs être maintenu dans des zones de température définies par des normes, par exemple de 1"C à 5"C pour un réfrigérateur. Le contrôle marchelarrêt du compresseur s'effectue par un thermostat contrôlant directement ou indirectement cette température d'air. En pratique, on observe que le compresseur se met fréquemment en marche pour faire descendre la température de l'évaporateur à des valeurs très basses (jusqu'à -20 C pour un réfrigérateur) par rapport à la température recherchée pour l'air et, ce, vingt-quatre heures sur vingt-quatre, induisant de ce fait une consommation électrique qui devient importante. Le problème que l'invention se propose de résoudre est celui de la diminution de la consommation électrique d'un appareil à génération de froid. Pour cela, I'invention vise à réaliser une diminution du temps de fonctionnement du compresseur ainsi que de son rapport de compression. A cet effet, on dispose dans l'échangeur de chaleur un accumulateur thermique en rapport conductif direct avec le fluide frigorigène, I'accumulateur étant choisi et dimensionné pour modifier la courbe d'échange de chaleur entre le fluide frigorigène et l'air ambiant en y créant des sortes de paliers, c'est-à-dire en maintenant sensiblement fixe la température de l'échangeur de chaleur pendant une durée définie par la quantité du matériau accumulateur et, ce, à une température choisie par le choix du matériau accumulateur, aussi proche que possible de la température moyenne de l'air. Plus précisément, la présente invention a pour objet un échangeur de chaleur pour appareil à génération de froid, I'échangeur comportant une première canalisation dans laquelle circule un fluide frigorigène et étant caractérisé par le fait qu'il comporte une seconde canalisation dans laquelle est stocké un matériau à accumulation thermique, disposé de sorte à être en rapport conductif direct avec le fluide frigorigène, ce matériau étant choisi de sorte à maintenir la température de l'échangeur à une valeur sensiblement fixe, proche de la température moyenne de l'air environnant l'échangeur, et la masse du matériau étant choisie pour maintenir cette valeur pendant une durée définie. D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et illustrée par les figures annexées, qui représentent: - la figure 1, une courbe montrant l'échange de chaleur entre l'évaporateur et l'air d'un réfrigérateur, selon la technique connue, - la figure 2, une courbe analogue relative à l'échangeur de chaleur selon l'invention; - la figure 3, un premier mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention, - la figure 4, un deuxième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention; - la figure 5, un troisième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. La figure 1 représente donc une courbe montrant l'échange de chaleur entre un évaporateur et l'air d'un réfrigérateur, selon la technique connue. Sur cette figure, on a porté en ordonnée la température (t") de l'évaporateur et en abscisse, le temps (t). On voit qu'à partir d'un instant t1 où la température de l'évaporateur est maximum (notée tM), celle-ci décroît jusqu'à un instant t2 à une valeur tmî ; la durée tF1 = t2-t1 est la durée pendant laquelle les cycles d'échange de chaleur s'effectuent pour faire baisser la température de l'évaporateur jusqu'à son minimum (tu1), et qui correspond également au temps de fonctionnement du compresseur. A partir de l'instant t2, le compresseur s'arrête et la température de l'évaporateur remonte jusqu'à sa valeur moyenne maximum admise tM, à un instant t3 où un thermostat contrôlant la température de l'air dans l'appareil à génération de froid déclenche à nouveau le compresseur. La durée t3-t2 est notée tR1 et correspond au temps de repos du compresseur. Le cycle tFl+tR1 est à peu près périodique et on note T1 la "période" correspondante. Pour un réfrigérateur, la température tM généralement admise est de +6"C et, ainsi qu'exposé plus haut, on constate en pratique que, pour respecter les valeurs fixées pour tM comme pour la température moyenne de l'air (+5"C) par les normes en vigueur, on est amené à faire descendre la température de l'évaporateur à la valeur tmî qui est de l'ordre de -15"C à 20"C, c'est-à-dire très basse par rapport à la température moyenne de l'air. Cette valeur basse de la température tmî implique une pression d'évaporation relativement basse, donc un taux de compression élevé et une consommation d'énergie élevée pour le compresseur. Le même genre de situation est observé dans les congélateurs, où la température minimale atteinte par l'évaporateur (de l'ordre de -30 C) est très inférieure à la température moyenne requise pour l'air à l'intérieur du congélateur (de l'ordre de -20 C), avec les inconvénients que cela présente pour la consommation d'énergie. La figure 2 est une courbe analogue à la précédente mais relative à un échangeur de chaleur selon l'invention. Selon l'invention, I'échangeur de chaleur comporte un matériau accumulateur thermique en contact conductif direct avec le fluide frigorigène, destiné à modifier la courbe d'échange de chaleur entre l'échangeur et l'air ambiant, comme décrit ciaessous. Comme précédemment, lorsque l'échangeur de chaleur, par exemple un évaporateur, atteint sa température maximum tM à un instant t4, le compresseur se met en route amenant une diminution de la température t" de façon analogue au cas de la figure 1, jusqu'à un instant t5. A partir de cet instant, L'échange de chaleur se fait selon un palier, horizontal sur la figure 2, s'étendant jusqu'à un instant t6; pendant la durée t6-t4 = tF2 correspondante, le compresseur fonctionne toujours et le cycle de refroidissement a pour effet, dans le cas représenté sur la figure 2 où le matériau accumulateur est un eutectique, le changement de phase de ce dernier (de liquide à solide par exemple) à température constante tm2, L'instant t6 étant celui où l'accumulateur a de préférence complètement réalisé son changement de phase; à ce moment t6, on constate une descente rapide en température qui peut avantageusement servir de signal d'arrêt pour le compresseur; le fonctionnement de ce dernier est alors interrompu; la durée t6-t4, notée tF2, correspond au temps de fonctionnement du compresseur. La température de l'évaporateur reste ensuite à la valeur tm2 jusqu'à un instant t7 tel que t 7 - t 6 = t 6 - t 5 le temps correspondant étant celui qui est nécessaire au changement de phase inverse (de solide à liquide dans l'exemple précédent) de l'accumulateur. A la fin du changement de phase (t7), la température de l'évaporateur augmente à nouveau jusqu'à sa valeur maximum tM à l'instant t8, puis le cycle recommence. La durée t8-t6, notée tR2, correspond au temps de repos du compresseur. Comme précédemment, on peut définir une sorte de "période" T2 égale à la durée du cycle tF2+tR2. Les calculs et les expériences de la Déposante ont montré que, d'une part, en choisissant le matériau accumulateur pour que la température minimale tm2 soit aussi proche que possible de (mais inférieure à) la température moyenne recherchée pour l'air et, d'autre part, en choisissant la masse de matériau accumulateur de façon appropriée, le taux de compression du compresseur était réduit et le temps total de travail du compresseur sur 24 heures était également réduit, même si son temps de travail (tF) par période (T) pouvait être supérieur en présence d'un accumulateur (tF2 > tF1). La quantité de fluide accumulateur est déterminée en fonction des durées tF2 et tR2 recherchées, en écrivant l'équation de l'échange thermique entre l'accumulateur et l'air. A titre d'exemple, la quantité minimum d'accumulateur est donnée par l'expression suivante, dans le cas d'un fluide accumulateur à changement de phase liquide-solide: m h.s.f.AT > . lof t ou: - h est le coefficient de convection externe (en W/m2.K); - s est la surface de l'échangeur (en m2); - f est le facteur d'échange d'une ailette, dans le cas où l'échangeur comporte des ailettes non parcourues par l'accumulateur (coefficient sans dimension); - AT est l'écart de température entre l'échangeur et l'air (en degrés K); - m est la masse de l'accumulateur (en Kg) - t est la durée de l'échange t6 - t5 (en s) - Lf est la chaleur latente de fusion ou de solidification (en KJ/Kg). Par ailleurs, on a représenté sur la figure 2, entre t5 et t7, un palier horizontal correspondant à un accumulateur eutectique, mais le fonctionnement décrit ci-dessus est encore valable si le palier n'est pas horizontal, dès lors que l'accumulateur est un matériau à grande capacité thermique (chaleur spécifique importante) diminuant ainsi fortement la variation de température pendant la durée t5 - t7 et on parle alors, pendant cette durée t5 - t7, de température moyenne plutôt que de température fixe due au changement de phase. A titre d'exemple, pour un évaporateur de réfrigérateur, la température d'évaporation la plus basse peut être de l'ordre de -5 C ou 4 C au lieu de -15"C à -20 C, en utilisant de l'eau comme matériau accumulateur. Pour un congélateur, on peut de même ramener la température d'évaporation la plus basse de -30 C à -25 C, ce qui peut amener un gain de rendement du compresseur de plus de 15%. En outre, le fonctionnement décrit ci-dessus s'applique aussi bien à un évaporateur qu'à un condenseur pour machine à génération de froid. Dans ce cas, on peut utiliser comme matériau accumulateur, de l'eau dont on utilise la capacité thermique élevée, ou encore un eutectique dont le point de fusion se situe autour de 25"C. La figure 3 représente un premier mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention. L'échangeur de chaleur consiste en un tube, disposé par exemple selon une surface plane et selon une ligne par exemple en serpentin. Ce tube, dans lequel circule le fluide frigorigène, est en fait constitué de deux tubes coaxiaux comme le montre la coupe de la figure 3: un tube intérieur 31 dans l'espace intérieur 32 duquel circule le fluide frigorigène, et un tube extérieur 33, ménageant un espace annulaire 34 entre les deux tubes dans lequel est disposé l'accumulateur. Ce dernier et le fluide frigorigène sont en contact conductif direct à travers le tube 31. Les matériaux constituant les tubes 31 et 33 sont de préférence des matériaux à bonne conductivité thermique tels que des métaux (acier, aluminium, cuivre...). Le fluide frigorigène peut être constitué par tout fluide utilisé habituellement à cet effet par l'homme du métier. Dans une variante de réalisation, la surface extérieure du tube 33 est dotée d'ailettes (non représentées) pour favoriser l'échange thermique entre l'accumulateur thermique et l'air. La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention. Ce mode de réalisation fait appel à la technique connue sous le nom de "Roll-Bond" et utilisée couramment pour la réalisation d'évaporateurs. Cette technique consiste à utiliser deux plaques métalliques par exemple en aluminium que l'on soude sauf aux endroits qui seront destinés à former les conduits de fluide. Après soudage, un fluide à très haute pression est introduit entre les plaques et vient les déformer aux endroits non soudés, tormant ainsi les conduits désirés. Sur la figure 4, le circuit de fluide frigorigène 42 est par exemple sensiblement en forme de serpentin dont une extrémité 43 constitue la sortie du fluide et l'autre extrémité 44 est par exemple reliée par un conduit coudé 45 à l'entrée 41 du fluide. Entre les méandres du serpentin 42 sont disposés des conduits 46 dans lesquels est enfermé le fluide accumulateur. Ce dernier est en rapport conductif direct avec le fluide frigorigène circulant dans le serpentin 42 au moyen du métal réalisant la structure. Les conduits 46 peuvent être reliés entre eux par un conduit 47 (en pointillés sur la figure) permettant d'effectuer facilement le remplissage en fluide accumulateur. La figure 5 représente un troisième mode de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention, selon lequel ce dernier est intégré dans une paroi de l'appareil, congélateur ou réfrigérateur. Sur cette figure 5, on a représenté la paroi extérieure 51 de l'appareil, par exemple métallique et sa paroi intérieure 52, par exemple constituée d'un plastique chargé métalliquement; entre les deux parois sont disposés successivement, en partant de l'extérieur, un matériau 53 isolant thermique, par exemple du type polyuréthane, puis un échangeur selon l'invention, par exemple réalisé conformément au mode de réalisation de la figure 4. Cet échangeur se compose alors de canalisations 54 parcourues par le fluide frigorigène entre lesquelles est disposée une structure 55 dans laquelle est stocké l'accumulateur. De préférence, les canalisations 54 dans lesquelles circule le fluide frigorigène sont en contact direct avec la paroi intérieure 52 de l'appareil, laquelle a une bonne conductivité thermique, pour favoriser une descente en température rapide de l'enceinte à refroidir. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur pour appareil à génération de froid I'échangeur comportant une première canalisation dans laquelle circule un fluide frigorigène et étant caractérisé par le fait qu'il comporte une seconde canalisation dans laquelle est stocké un matériau à accumulation thermique, disposé de sorte à être en rapport conductif direct avec le fluide frigorigène, ce matériau étant choisi de sorte à maintenir la température de l'échangeur à une valeur sensiblement fixe, proche de la température moyenne de l'air environnant l'échangeur, et la masse du matériau étant choisie pour maintenir cette valeur pendant une durée définie. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau à accumulation thermique est un matériau tel qu'il change de phase durant ladite durée définie. 3. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le matériau à accumulation thermique est un eutectique. 4. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau à accumulation thermique a une grande capacité thermique. 5. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la première canalisation est un premier tube et que la deuxième canalisation est un deuxième tube coaxial avec le premier, le matériau à accumulation étant un fluide disposé entre les deux tubes. 6. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la première canalisation est sensiblement en forme de serpentin et que la deuxième canalisation est disposée entre les méandres de la première. 7. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est disposé à l'intérieur d'une paroi de l'enceinte, la première canalisation étant en contact conductif avec la surface intérieure de la paroi. 8. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'échangeur est un évaporateur et que l'appareil à génération de froid est un réfrigérateur ou un congélateur ou un appareil combiné. 9. Echangeur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'appareil à génération de froid est un réfrigérateur et que le matériau à accumulation thermique est de l'eau. 10. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'échangeur est un condenseur, que l'appareil à génération de froid est un réfrigérateur ou un congélateur ou un appareil combiné. 11. Echangeur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que le matériau à accumulation thermique est de l'eau ou un eutectique à point de fusion autour de 25"C. 12. Appareil à génération de froid comportant au moins un échangeur selon l'une des revendications 2 ou 3 et un compresseur assurant la circulation du fluide frigorigène, caractérisé par le fait que le compresseur est maintenu en fonctionnement jusqu'au changement de phase complet du matériau à accumulation thermique.