Brevet FR2757932A1 — publié le 19980703

I La présente invention concerne un procédé de con- ditionnement de gaz par réglage de la température du gaz de préférence dans une plage comprise entre -100 C et +200 C et/ou de l'humidité du gaz dans une enceinte susceptible d'être fermée, comme une étuve ou enceinte climatisée compre- nant un dispositif de tubes, recevant un agent frigorigène pour régler la température dans l'enceinte, comme dispositif échangeur de chaleur. L'invention concerne également une armoire d'essai climatique, réglable, à une température comprise de préférence dans une plage entre - 100 C et +200 C, et qui peut se climatiser de manière souhaitée, avec une disposition de tubes recevant un agent frigorigène pour régler la tempéra- ture dans l'enceinte comme fluide caloporteur. Pour contrôler les propriétés physiques et/ou chimiques d'objets, on utilise des armoires d'essai climati- sées ou climatiques dans lesquelles on peut régler non seule- ment les températures par exemple dans une plage comprise entre -100 C et +200 C mais également des conditions climati- ques souhaitées. La mise en température de l'enceinte de con- trôle qui reçoit l'objet à contrôler se fait de préférence dans un canal d'air au niveau de la paroi arrière de l'enceinte. Un ventilateur aspire l'air ambiant de l'enceinte d'essai et conduit cet air par le canal de circulation d'air qui peut comporter un dispositif de transfert de chaleur ou un échangeur de chaleur, un chauffage électrique ou un bain d'humidification. Le refroidissement de l'air ambiant se fait au niveau de l'échangeur de chaleur alors que le chauffage est assuré par le chauffage électrique. L'humidification positive ou négative de l'air ambiant se fait à travers le bain d'eau en forme de bain d'humidification prévu dans le canal d'air de circulation. Dans un radiateur à circulation ou encore un corps chauffant immergé, on met l'eau en température pour pouvoir régler l'humidité demandée dans l'enceinte de contrôle. Dans la mesure o on ne règle pas de conditions climatiques particulières mais seulement les températures, l'air de l'enceinte de contrôle est refroidi par évaporation directe d'un agent frigorigène ou refroidissant dans l'échangeur de chaleur. Si on veut en même temps climatiser, on ne peut régler la température en évaporant de l'agent fri- gorigène car sinon il y aurait dépôt de condensat sur5 l'échangeur de chaleur ce qui modifierait l'humidité de l'air dans l'enceinte de contrôle. C'est pourquoi, il est connu dans le domaine de la climatisation, de fournir du fluide de refroidissement, traversant à l'état liquide un échangeur de chaleur si bien qu'il faut deux circuits séparés pour le fonctionnement froid/chaud et le fonctionnement climatisé. Ainsi, le document DE-OS 1 949 001 décrit un procédé et une installation de régulation du climat d'une serre, selon les- quels, on utilise une installation de climatisation fonction- nant indépendamment de l'installation de mise en température,15 avec des conditions climatiques simulant celles auxquels sont exposés les plantes et les matériaux dans un environnement naturel. Pour éliminer les inconvénients de deux circuits séparés, le document EP 0 513 734 A2 propose dans le cas du réglage de l'humidité dans une chambre climatisée, de mélan- ger en permanence à l'aide d'une soupape régulant en perma- nence un agent frigorigène liquide avant son arrivée dans l'échangeur de chaleur, en lui mélangeant un agent frigori- gène gazeux pour éviter tout dépôt de condensat sur l'échangeur de chaleur. Lorsqu'ils n'ont pas à traiter le procédé de ré- glage de la température et/ou de l'humidité d'une enceinte de contrôle, on peut utiliser des dispositifs d'échange de cha- leur qui sont réalisés de manière générale sous la forme d'échangeur à faisceau de tubes ou à lamelles et l'agent fri- gorigène passe dans les tubes et le gaz ou mélange gazeux à refroidir dans le cas d'un tel dispositif d'échange à fais- ceau de tubes, entoure les tubes et dans le cas d'un disposi- tif d'échange à lamelles, il circule autour des lamelles. Les tubes et les lamelles peuvent être réalisés dans la même ma- tière ou dans des matières différentes. Comme combinaison avantageuse du transfert souhaité de chaleur, on a une combi- naison de cuivre/aluminium. D'autres combinaisons sont égale- ment possibles et connues comme par exemple Cu/Cu, VA/VA ou VA/Al. Pour arriver au refroidissement nécessaire, on peut vaporiser un agent frigorigène tel que R 404 A ou R 23; cela permet d'atteindre des températures comprises entre - C et -80 C. Les échangeurs de chaleur correspondants sont appelés évaporateurs directs. La présente invention a pour but de développer un procédé correspondant au type défini ci-dessus, permettant sans difficulté un échange de chaleur pour refroidir un gaz ou un mélange gazeux tel que de l'air, sans influencer la te- neur en humidité pour que le refroidissement se fasse sans condensat. Pour cela, il doit suffir d'utiliser un circuit pour le fonctionnement chaud/froid et le fonctionnement cli- matisé, c'est-à-dire que le dispositif de transfert de cha- leur ne sera parcouru que par un agent de refroidissement pour atteindre à la fois la plage de température souhaitée et l'humidité relative voulue. Selon l'invention, ce problème est résolu par un procédé selon le type défini dans le préambule de la première revendication, caractérisé en ce que l'agent frigorigène li- quide est fourni de manière à se détendre dans un tube inté- rieur passant dans le dispositif de tubes du dispositif échangeur de chaleur et dont l'évaporation est terminée ou pratiquement terminée avant qu'il ne quitte le tube intérieur du dispositif de tubes. L'agent frigorigène, à la sortie du tube inté- rieur, arrivant dans le dispositif de tubes est dévié pour que l'agent frigorigène circule à contre-courant à l'extérieur le long du tube intérieur dans le dispositif de tubes. L'agent frigorigène parcourt ensuite un double tube à contre-courant. L'agent frigorigène se détend et passe entre le tube intérieur et le dispositif de tubes appelé tube exté- rieur pour qu'en mode climatisé, la température de la surface extérieure du dispositif de tubes soit supérieure ou égale à la température du point de rosée du gaz dans l'enceinte. Le tube intérieur lui-même peut s'étendre le long d'un segment du dispositif de tubes ou sur toute sa longueur. Puis, l'agent frigorigène évaporé, après avoir quitté le tube intérieur, passe par le dispositif de tubes à contre-courant pour atteindre les conditions de température souhaitées tout en évitant la condensation. Comme selon l'invention, l'agent frigorigène quitte le tube intérieur déjà à l'état vaporisé, on a une chute de température en ce que même pour des valeurs par exemple critiques de +10 C et une humidité relative de 95 %, il n'y aura pas condensation de liquide dans l'échangeur de chaleur et l'humidité restera constante. L'agent frigorigène est fourni de préférence sous forme de gouttes au tube intérieur pour permettre de régler ainsi les conditions de température nécessaires. Pour la mise en oeuvre du procédé de conditionne- ment de gaz, on a une armoire d'essai, climatisée, du type défini ci-dessus, caractérisée en ce qu'à l'intérieur du dis- positif de tubes du dispositif échangeur de chaleur, au moins par segment il y a un tube intérieur par lequel l'agent fri- gorigène passe dans un tube extérieur, et après avoir quitté le tube intérieur pour passer dans le tube extérieur, l'agent frigorigène est dévié pour circuler à contre-courant par rap- port à la circulation dans le tube intérieur, entre ce tube intérieur et le tube extérieur qui l'entoure. En particulier, le dispositif de tubes extérieur est un tube en forme de méandre ou de serpentin passant dans l'enceinte, comme tube extérieur ayant une extrémité fermée et au niveau de laquelle se termine le tube intérieur avec son orifice de sortie d'agent frigorigène. Le tube intérieur s'étend de préférence sous la forme d'un segment d'extrémité rectiligne à distance du dis- positif de tubes extérieur. S'il est possible que le tube intérieur ne s'étende que le long d'un segment dans le dispositif de tu- bes, alors le tube intérieur peut passer pratiquement sur toute la longueur du dispositif de tubes. Le tube intérieur passe ainsi coaxialement dans le dispositif de tubes, dans les segments rectilignes et de préférence parallèles et passe par le dispositif de tubes au niveau des zones cintrées. En plus de la réalisation en forme de méandre ou de serpentin pour les tubes du dispositif d'échange de cha- leur on peut également envisager une forme en spirale. Ce mode de réalisation présente l'avantage par rapport à la forme en serpentin, que pour l'extension du tube intérieur sur toute la longueur du dispositif de tubes, le tube inté- rieur n'a pas à traverser le tube extérieur ce qui supprime l'isolation par ailleurs nécessaire du tube intérieur. On prévoit de préférence un tel dispositif d'échange de chaleur au plafond de l'armoire climatique. Le ventilateur de mise en circulation de l'air est placé au cen- tre de la spirale. De préférence, l'agent frigorigène arrive dans le tube intérieur à travers une électrovanne et la fréquence de cadence se règle en fonction de la puissance calorifique. De manière préférentielle, le tube intérieur a un diamètre de 6- 8 mm et le tube extérieur un diamètre de 10-15 mm. Les surveillances de température à l'intérieur de l'enceinte de contrôle ainsi qu'à la sortie du dispositif d'échange de chaleur règlent d'une part la température sou- haitée pour l'air et garantissent d'autre part que l'agent frigorigène aspiré par un compresseur soit suffisamment sur- chauffé et qu'il évite les chocs de liquide qui pourraient conduire à la destruction du compresseur. Il convient de remarquer que la longueur du dou- ble tube dépend elle-même de la puissance frigorifique à transmettre et de la différence maximale de température entre l'agent frigorigène à évaporer et la température de surface extérieure du dispositif de tubes ou des lamelles partant de celui-ci. Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés dans les dessins et seront décrits ci-après de manière plus détaillée. Ainsi: - la figure 1 est un schéma de principe d'une armoire d'essai climatique, - la figure 2 montre un détail d'un premier mode de réalisa- tion du dispositif échangeur de chaleur, - la figure 3 montre un second mode de réalisation d'un dis- positif échangeur de chaleur, - la figure 4 montre un troisième mode de réalisation d'un dispositif échangeur de chaleur, - la figure 5 montre un quatrième mode de réalisation d'un dispositif échangeur de chaleur, - la figure 6 est une coupe selon la ligne A-A de la figure 5. La figure 1 montre selon un schéma de principe, une enceinte de contrôle 10 d'une armoire d'essai climatique 12 accessible par une porte 14. Pour régler la température voulue ou les conditions de climatisation souhaitées dans l'enceinte 10, il y a simplement à titre d'exemple, un dispo- sitif d'échange de chaleur 16 en deux parties, un ventilateur axial 18 avec un moteur 20 à l'extérieur de l'enceinte, un corps chauffant électrique à tubes lisses 22, 24 ainsi qu'une réserve d'eau 26. Le ventilateur axial 18 et le corps chauf- fant à tubes lisses électrique 22, 24 se trouve entre le dis- positif d'échange de chaleur 16. La réserve d'eau 26 servant à humidifier ou dessécher l'air ambiant se trouve au fond de l'enceinte d'essai. Réchauffer l'eau contenue dans la réserve d'eau 26 se fait à l'aide d'une spirale électrique chauffante 28; le refroidissement de l'eau se fait à l'aide d'un ser- pentin de refroidissement 30 qui passe principalement dans l'eau. La mise en température de l'enceinte de contrôle se fait dans le canal de circulation d'air 32 de préfé- rence sur la cloison arrière de l'enceinte de contrôle. Le ventilateur 18 aspire l'air ambiant de l'espace 10 et le con- duit à travers le canal de circulation d'air 32 dans lequel sont installés l'échangeur de chaleur 16, le chauffage élec- trique 22, 24 ainsi que la réserve d'eau. Le refroidissement de l'air ambiant, dont le circuit dans l'enceinte de contrôle est indiqué en principe par les flèches, se fait à travers le dispositif d'échange de chaleur 16 alors que le chauffage se fait avec le chauffage électrique 22, 24. L'humidification ou le dessèchement de l'air se fait à l'aide de l'eau de la réserve d'eau 26. En refroidis- sant ou en chauffant l'eau, on met celle-ci en température pour régler l'humidité nécessaire à l'enceinte de contrôle 10. Pour régler la température souhaitée de l'échangeur de chaleur 16, on utilise un agent frigorigène comme par exemple R404A ou R23 qui sera vaporisé dans le dis- positif d'échange de chaleur 16 décrit ultérieurement, pour régler les températures souhaitées dans l'enceinte de con- trôle notamment dans une plage comprise entre -100 C et +200 C et pour régler par ailleurs les conditions de climati- sation dans la plage comprise entre +10 C et +95 C, avec une humidité relative de 95 %, sans que cela ne fausse par forma- tion de condensat, les dispositifs de transfert de chaleur 16 ou leurs tubes 41, 56, 76, 82 et les lamelles 35. La figure 2 montre selon un schéma de principe, d'un premier mode de réalisation d'un dispositif échangeur de chaleur 34, comprenant un tube extérieur 41 en forme de ser- pentin ou en méandres relié de manière habituelle à des la- melles 35 pour permettre le transfert de chaleur souhaitée à l'air qui passe dans la direction de la flèche 36 à travers le dispositif échangeur de chaleur 34. A la fois, le tube 41 et les lamelles 35 peuvent être en une combinaison de matiè- res aluminium/cuivre ou toutes autres combinaisons de matiè- res connues pour les échanges de chaleur comme par exemple Cu/Cu, VA/VA ou VA/Al. Le tube 41 est fermé à une extrémité d'un segment rectiligne 40 (référence 42) alors que l'autre extrémité 44 est reliée à un compresseur non représenté. Dans le segment 40 ayant une extrémité fermée, se trouve un tube intérieur 46 recevant de l'agent frigorigène de préférence par l'intermédiaire d'une électrovanne comman- dée en cadence; le fluide caloporteur se détend alors et se vaporise à l'intérieur du tube intérieur 46 jusqu'à sa sortie 48 pour être alors dévié à l'extrémité fermée 42 et circuler à contre-courant autour du tube intérieur 46, entre celui-ci et la paroi intérieure du tube extérieur 41 pour traverser tout le dispositif de tubes 38. L'évaporation de l'agent frigorigène à l'inté- rieur du tube intérieur 46, écarté du tube extérieur 41, per- met une chute de température telle que même pour des valeurs de température critiques de 10 C et une humidité relative de %, il n'y aura aucun condensat sur la paroi extérieure du tube 41 si bien que la teneur en humidité dans l'armoire d'essai climatique 12 reste inchangée. La figure 3 explicite une nouvelle fois que dans le segment d'extrémité 40, fermé du tube extérieur 41 se trouve un tube intérieur 46 par lequel est fourni de l'agent frigorigène de préférence par une soupape électromagnétique commandée en cadence rapide; l'agent frigorigène se dé- tend pour se vaporiser au cours de son passage dans le tube intérieur 46 pour qu'uniquement ou exclusivement de l'agent frigorigène vaporisé revient au segment d'extrémité 40 ou au tube extérieur 41. Si dans les exemples de réalisation des figures 2 et 3, le tube intérieur 46 passe exclusivement dans le seg- ment d'extrémité rectiligne 40 du dispositif de tubes 38, la figure 4 montre également la possibilité de faire passer le tube intérieur 52 suivant un tracé en serpentin ou en méandre dans le tube extérieur 56; le tube intérieur 52 s'étend coaxialement dans le tube extérieur 56, dans ses segments droits 57, 58, 60, 62, 64. Pour des raisons de construction, le tube intérieur 12 traverse le tube extérieur 56 au niveau des cintrages de ce tube 59. Dans les parties cintrées 59, le tube intérieur 52 qui est à l'extérieur du dispositif de tube 54 doit être isolé. Selon les modes de réalisation des figures 2 et 3, pendant le passage du tube intérieur 52, l'agent frigori- gène qui s'évapore arrive à l'état de vapeur à l'extrémité 66 du tube intérieur 52 il est dévié par l'extrémité fermée 68 pour circuler à contre-courant le long du tube intérieur 52 et à travers le tube extérieur 56 ou le dispositif de tubes 54. D'autres configurations et géométries sont égale- ment possibles. L'enseignement de l'invention garantit l'utilisation dans une enceinte de contrôle d'un dispositif d'échange de chaleur traversé par un seul agent frigorigène et dont la plage de température va de -100 C jusqu'à +200 C et la plage de climatisation s'étend entre + 10 C et jusqu'à +950C pour un point de rosée s'étendant entre +5 C et jusqu'à +94 C, avec pour une utilisation dans les cas extrêmes de - C, +10 C d'une humidité relative à 95 % et pour +95 C et 95 % d'humidité relative ainsi que toutes les valeurs inter- médiaires sans rencontrer de risque de dépôt de condensat. Les figures 5 et 6 montrent un mode de réalisa- tion particulièrement intéressant d'un dispositif de tubes 70 d'un dispositif d'échangeur de chaleur monté dans la zone du plafond de l'armoire climatisée 72. Au milieu du dispositif de tubes en spirale 70, on a un ventilateur de mise en circu- lation 74 comme cela est présenté de manière schématique. En outre, le dispositif de tubes 70 ne peut être relié aux la- melles comme cela est connu dans l'état de la technique. Le dispositif de tubes 70 en forme de spirale avec un tube extérieur 76 et un tube intérieur 78 présente l'avantage qu'en cas d'allongement du tube intérieur 78 au- dessus de la longueur totale du tube extérieur 76, il faut que le tube intérieur 78 ne traverse pas le tube intérieur 76 si bien qu'il est inutile de prévoir une isolation qui serait par ailleurs nécessaire. Sur le plan de la fabrication d'un dispositif de tubes 70 en spirale, avec un tube intérieur et un tube extérieur 78, 76, on a des avantages considérables par rapport au dispositif en méandre ou en serpentin selon les figures 1 à 4. Le dispositif de tubes 70 selon les figures 5 et 6 permet à l'enseignement de l'invention de se réaliser, comme cela a été indiqué à l'aide des figures 1 à 4. On se reportera à cet effet au mode de réalisation correspondant. On voit également à l'aide de la vue en coupe de la figure 6, que le dispositif de tubes 70 est au sens propre un dispositif à double tube pris deux fois, composé de tubes extérieurs et de tubes intérieurs 76, 78 ou 82, 84 prévus dans deux plans parallèles. L'entrée d'agent frigorigène se fait par le branchement d'agent frigorigène 86 dans lequel il y a une électrovanne 88; à partir de celle-ci on a une con- duite 90 qui se divise en segments 92, 94 conduisant chacun aux tubes intérieurs 78, 84. Les tubes extérieurs 76, 82 pas- sent par une conduite commune 96 jusqu'à la sortie d'agent frigorigène 98. Il R E V E N D I C A T IONS 1 ) Procédé de conditionnement de gaz par réglage de la tem- pérature du gaz de préférence dans une plage comprise entre - C et +200 C et/ou de l'humidité du gaz dans une enceinte (10) susceptible d'être fermée, comme une étuve ou enceinte climatisée (12, 72) comprenant un dispositif de tubes (38, 54, 70), recevant un agent frigorigène pour régler la tempe- rature dans l'enceinte, comme dispositif échangeur de chaleur (16, 34), caractérisé en ce que l'agent frigorigène liquide est fourni de manière à se déten- dre dans un tube intérieur (46, 52, 78, 84) passant dans le dispositif de tubes (38, 54, 70) du dispositif échangeur de chaleur (16, 34) et dont l'évaporation est terminée ou prati- quement terminée avant qu'il ne quitte le tube intérieur (46, 52, 78, 84) du dispositif de tubes (38, 54, 70) 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent frigorigène après avoir quitté le tube intérieur (46, 52, 80, 84) est dévié dans le dispositif de tubes (38, 54, ) pour que l'agent frigorigène s'écoule à contre- courant le long de la paroi extérieure du tube intérieur (46, 52, 78, 84) dans le dispositif de tubes (38, 54, 70). 3 ) Armoire d'essai climatique (12, 72) comprenant une en- ceinte (10) qui peut se régler à une température comprise de préférence dans une plage allant de -100 C à +200 C et être climatisée, comprenant un dispositif de tubes (38, 54, 70) recevant un agent frigorigène pour régler la température dans l'enceinte comme dispositif échangeur de chaleur (16, 34), caractérisée en ce qu' à l'intérieur du dispositif de tubes (38, 54, 70) du disposi- tif échangeur de chaleur (16, 34), au moins par segment il y a un tube intérieur (46, 52, 78, 84) par lequel l'agent fri- gorigène passe dans un tube extérieur (41, 56, 76, 82), et après avoir quitté le tube intérieur pour passer dans le tube extérieur (41, 56, 76, 82), l'agent frigorigène est dévié pour circuler à contre-courant par rapport à la circulation dans le tube intérieur, entre ce tube intérieur et le tube extérieur (41, 56, 76, 82) qui l'entoure. 4 ) Armoire selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif de tubes (38, 54) forme un tube extérieur (41, 56) circulant en méandre ou en serpentin dans l'enceinte (10), avec une extrémité fermée (42, 68) et le tube intérieur (46, 52) se termine dans cette zone avec son orifice de sor- tie d'agent frigorigène. ) Armoire selon au moins l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce que le tube intérieur (46) s'étend dans le segment d'extrémité rectiligne (40) du dispositif de tubes (38) à une certaine distance de la paroi intérieure du tube extérieur (41). 6 ) Armoire selon au moins l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce que le tube intérieur (52) s'étend sur toute la longueur ou pra- tiquement toute la longueur du dispositif de tubes (54). 7 ) Armoire selon au moins l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce que le tube intérieur (52) est coaxial à l'intérieur du tube ex- térieur (56) dans ses segments (57, 58, 60, 62, 64) rectili- gnes et de préférence parallèles, et le tube intérieur (52) traverse le tube extérieur (56) au niveau de sa zone cintrée (59). 8 ) Armoire selon au moins l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce que l'agent frigorigène passe dans le tube intérieur (46, 52, 78, 84) par une électrovanne de préférence une électrovanne à commutation rapide (50, 51, 88). 90) Armoire selon au moins l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce que le tube intérieur (46, 52, 78, 84) a un diamètre de l'ordre de 6-8 mm et le tube extérieur (41, 56, 76, 82) un diamètre de l'ordre de 10-15 mm. ) Armoire selon au moins l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que le dispositif à tubes (70) est en forme de spirale. 11 ) Armoire selon au moins l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que le tube intérieur (78, 84) s'étend sur toute la longueur ou pratiquement toute la longueur du tube extérieur (76, 82) en spirale. 12 ) Armoire selon au moins l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que le dispositif à tubes (70) en forme de spirale se trouve de préférence dans la zone du plafond de l'enceinte climatisée (10), et en son centre, il y a un ventilateur de mise en cir- culation d'air (74). 13 ) Armoire selon au moins l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que de préférence dans deux plans parallèles, il y a chaque fois un dispositif de tubes en forme de spirale avec des tubes in- térieurs (78, 84) dans les tubes extérieurs (76, 82). 14 ) Armoire selon au moins l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que les tubes intérieurs (78, 84), parallèles, peuvent recevoir5 de l'agent frigorigène par un branchement d'agent frigorigène (86) commun. ) Armoire selon au moins l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que les tubes extérieurs (76, 82), qui sont dans des plans paral- lèles, sont reliés par une sortie commune d'agent frigorigène (98).