Brevet FR2864609A1 — publié le 20050701

Y L'invention concerne, de façon générale, le domaine de la thermodynamique appliquée. Plus précisément, l'invention concerne, selon un premier de ses aspects, une installation thermique, telle qu'une installation frigorifique, comprenant un circuit de fluide caloporteur à changement de phase, une dérivation, un compresseur principal, et un compresseur auxiliaire, le circuit présentant des première et seconde extrémités dont l'une forme, en fonctionnement, une extrémité haute pression et l'autre une extrémité basse pression et entre lesquelles sont montés en série au moins un élément d'un premier échangeur principal, un premier élément d'un échangeur interne, un premier détendeur, et un élément d'un second échangeur principal, le compresseur principal ayant une entrée reliée à l'extrémité basse pression du circuit et une sortie reliée à l'extrémité haute pression du circuit, la dérivation reliant un point de dérivation du circuit, intermédiaire entre l'élément du premier échangeur principal et le premier élément de l'échangeur interne, à l'entrée du compresseur principal, et incluant, en série et dans cet ordre, un second détendeur et un second élément de l'échangeur interne en communication thermique avec le premier élément de l'échangeur interne, et le compresseur auxiliaire ayant une entrée reliée à l'extrémité basse pression du circuit et une sortie reliée à l'entrée du compresseur principal en aval du second élément de l'échangeur interne. Des installations thermiques de ce type sont connues de l'homme du métier pour la production de froid. Ces installations connues à double étage, dans lesquelles le compresseur principal et le compresseur auxiliaire fonctionnent systématiquement en même temps, présentent une caractéristique de fonctionnement utile limitée à une plage de température très étroite, qui restreint elle-même le champ d'application de ces installations. De surcroît, le fonctionnement simultané des compresseurs étant rendu nécessaire par la conception de ces installations, les compresseurs sont voués à une dégradation pratiquement certaine en cas d'arrêt accidentel de l'un d'entre eux. Dans ce contexte, un premier but de la présente invention 15 est de proposer une installation thermique exempte des défauts précédemment évoqués. A cette fin, l'installation thermique de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un premier élément de circuit bistable disposé entre l'entrée et la sortie du compresseur auxiliaire, ce premier élément bistable adoptant sélectivement un état passant ou un état bloquant dans lesquels il relie ou isole l'une de l'autre, respectivement, l'entrée et la sortie du compresseur auxiliaire, le compresseur auxiliaire étant sélectivement placé dans un état actif ou inactif lorsque le compresseur principal est dans un état actif et le premier élément de circuit bistable étant placé dans son état passant lorsque le compresseur auxiliaire est dans son état inactif, cette installation pouvant ainsi fonctionner, à volonté, sur un ou deux étages. Dans la mesure où une installation thermique ainsi définie offre une caractéristique de fonctionnement adaptée à une plage de température beaucoup plus large, un second but de la présente invention est de proposer une installation thermique susceptible de fonctionner en pompe à chaleur réversible. Pour ce faire, il est avantageux de prévoir d'une part que le circuit de fluide caloporteur comprenne en outre un second élément de circuit bistable, un troisième détendeur, et deux clapets anti-retour, le second élément de circuit bistable étant installé entre les première et seconde extrémités du circuit et entre la sortie du compresseur principal et l'entrée du compresseur auxiliaire, et adoptant sélectivement un premier ou un second états dans lesquels la première extrémité du circuit est respectivement reliée à la sortie du compresseur principal et à l'entrée du compresseur auxiliaire, la seconde extrémité de ce circuit étant respectivement reliée à l'entrée du compresseur auxiliaire et à la sortie du compresseur principal, de prévoir d'autre part que le troisième détendeur soit installé entre l'élément du premier échangeur principal et le point de dérivation, et de prévoir enfin que les clapets anti-retour soient respectivement montés en parallèle sur les premier et troisième détendeurs et soient passants pour le fluide caloporteur circulant vers le point de dérivation. Dans de nombreux cas, le premier échangeur principal peut par exemple être constitué par un échangeur à eau, et le second échangeur principal par un échangeur à air. En outre, le compresseur auxiliaire présente de préférence une cylindrée variable. Pour ce faire, il est possible de prévoir que ce compresseur auxiliaire présente une vitesse de rotation variable, et / ou qu'il comporte au moins deux modules de compression montés en parallèle et placés dans des états respectifs actif ou inactif indépendamment l'un de l'autre. L'invention concerne également, selon un second aspect, un échangeur à air particulièrement conçu pour constituer le second échangeur principal d'une installation telle que précédemment définie, cet échangeur étant du type comprenant des premier et second orifices de branchement, un distributeur sur lequel est prévu le premier orifice de branchement, au moins une première conduite de collecte au moins partiellement verticale et raccordée au second orifice de branchement, et un réseau de serpentins comprenant chacun des première et seconde extrémités, le second orifice de branchement étant disposé au-dessous des serpentins et ces serpentins étant reliés au distributeur par leurs premières extrémités respectives au moyen de brins de distribution respectifs, et étant reliés en parallèle à la première conduite de collecte par leurs secondes extrémités respectives. Les échangeurs connus de ce type présentent en effet l'inconvénient sérieux, lorsqu'ils sont utilisés dans une installation à inversion de cycle et dans des conditions de basse température ambiante, de se montrer difficiles ou même impossibles à dégivrer lors d'échanges thermiques à basse température. Ainsi, le fluide caloporteur chaud a tendance à migrer vers le haut de l'échangeur et à se condenser jusqu'au remplissage liquide du bas de l'élément de l'échangeur, ce qui empêche l'arrivée de gaz chauds. A la remise en route après un tel mauvais dégivrage, une nouvelle glaciation peut se produire dans la partie mal dégivrée, entraînant son écrasement et un endommagement irréversible de l'échangeur. La chaleur dégagée par le haut de l'échangeur est inutilement perdue, alors que le bas de l'échangeur peut 20 ne pas dégivré. Pour résoudre ces problèmes, l'échangeur spécifique de l'invention est essentiellement caractérisé en ce que les premières extrémités respectives des serpentins sont toutes situées au-dessus du distributeur, et en ce que les brins de distribution sont, sur toute leur longueur, en pente descendante vers le distributeur. Grâce à cet agencement, le fluide caloporteur migre 30 naturellement vers le haut de l'élément d'échangeur, qu'il dégivre. L'eau qui tombe de la partie haute de l'échangeur rencontre les parties les plus chaudes de ce dernier, évitant ainsi de se refroidir et de prendre en glace. Les migrations de chaleur ne sont donc plus perdues, et l'échangeur est bien dégivré. Par exemple, il est possible de prévoir qu'un tel échangeur comprenne une deuxième conduite de collecte disposée horizontalement, que la première conduite de collecte présente une portion horizontale, et que la portion horizontale de la première conduite de collecte soit reliée à la deuxième conduite de collecte par au moins une nappe de tubulures sensiblement horizontales, et soit reliée au second orifice de branchement à travers cette nappe de tubulures et à travers cette deuxième conduite de collecte. En outre, il peut être avantageux de rendre cet échangeur beaucoup moins sensible aux conditions météorologiques en l'équipant d'un capot qui le coiffe tout en laissant au moins deux passages de circulation d'air à la base de cet échangeur. En effet, un problème rencontré de façon récurrente lors du dégivrage d'une pompe de chaleur sur l'air réside dans le fait que l'échangeur à air offre au vent une surface de haute capacité qui dissipe la chaleur destinée à son dégivrage, au point que ce dernier peut devenir impossible en cas de bise. Grâce à la présence du capot précédemment défini, qui forme depuis le bas de l'échangeur une cloche de confinement de ce dernier et qui ne laisse qu'une entrée et une sortie d'air suffisante pour le brassage mécanique de l'air et son renouvellement, la surface offerte au vent est alors nulle. La chaleur dégagée par l'échangeur est piégée sous la cloche que forme le capot, ce qui améliore le dégivrage 10 de cet échangeur. De plus, l'esthétique de l'échangeur se trouve grandement améliorée par le masquage du ventilateur. Enfin, le bruit produit par ce dernier se trouve étouffé par le capot et d'autant moins perceptible que la source de bruit que constitue ce ventilateur n'est plus visible, l'impossibilité de faire le rapprochement entre un faible bruit et sa source rendant par expérience ce bruit encore moins audible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'une installation thermique à deux étages de type connu; - la figure 2 est un schéma de principe du mode de réalisation le plus avancé d'une installation thermique à deux étages conforme à l'invention; - la figure 3 est un schéma partiellement structurel d'une installation thermique réalisée suivant le principe illustré à la figure 2, utilisée dans sa fonction de climatisation, et dont les deux étages sont actifs; - la figure 4 est un schéma partiellement structurel d'une installation thermique réalisée suivant le principe illustré à la figure 2, utilisée dans sa fonction de climatisation, et dont seul l'étage principal est actif; - la figure 5 est un schéma partiellement structurel d'une installation thermique réalisée suivant le principe illustré à la figure 2, utilisée dans sa fonction de chauffage, et dont les deux étages sont actifs; - la figure 6 est un schéma partiellement structurel d'une installation thermique réalisée suivant le principe illustré à la figure 2, utilisée dans sa fonction de chauffage, et dont seul l'étage principal est actif. - la figure 7 représente en perspective, de façon simplifiée et schématique, l'agencement interne d'un échangeur à air formant partie intégrante de l'invention; - la figure 8 est une vue schématique en perspective d'un tel échangeur; et - la figure 9 est une vue schématique représentant une 30 variante de l'installation illustrée à la figure 2. Comme annoncé précédemment, l'invention concerne une installation thermique, notamment utilisable en tant qu'installation de production de froid, du type comprenant un circuit 11 dans lequel circule un fluide caloporteur à changement de phase, une dérivation 12, un compresseur principal 2, et un compresseur auxiliaire 3. Le circuit 11 de fluide caloporteur présente deux extrémités, 111 et 112, dont l'une est, en fonctionnement, reliée à la sortie 21 du compresseur principal 2 et forme une extrémité haute pression, et dont l'autre est reliée à l'entrée 20 de ce compresseur principal 2 et forme une extrémité basse pression. Entre les extrémités 111 et 112 du circuit 11 de fluide caloporteur sont montés en série un élément 41 appartenant à un premier échangeur principal 4, par exemple à eau, un premier élément 51 appartenant à un échangeur interne 5, un premier détendeur 61, et un élément 71 appartenant à un second échangeur principal 7, par exemple à air. La dérivation 12, qui relie un point de dérivation 113 du circuit 11 à l'entrée 20 du compresseur principal 2, inclut, en série et dans cet ordre, un second détendeur 62 et un second élément 52 de l'échangeur interne 5. Comme le montrent les figures, le point de dérivation 113 du circuit 11 est disposé entre l'élément 41 de l'échangeur à eau 4 et le premier élément 51 de l'échangeur interne 5, et le second élément 52 de l'échangeur interne 5 est en communication thermique avec le premier élément 51 de ce même échangeur. Le compresseur auxiliaire 3, qui présente typiquement un taux de compression inférieur à celui du compresseur principal 2, comporte quant à lui une entrée 30 reliée à l'extrémité basse pression du circuit 11 et une sortie 31 reliée à l'entrée 20 du compresseur principal 2 en aval du second élément 52 de l'échangeur interne 5. Alors que l'installation connue, telle qu'illustrée à la figure 1 et incluant l'ensemble des caractéristiques énoncées jusqu'à présent, ne peut fonctionner qu'avec les deux étages que constituent les compresseurs 2 et 3, l'installation de l'invention, dont un mode de réalisation avancé est représenté aux figures 2 à 6, est conçue pour pouvoir fonctionner en simple étage ou en double étage. Pour ce faire, cette installation comprend un premier élément 81 de circuit bistable, disposé entre l'entrée 30 et la sortie 31 du compresseur auxiliaire 3, et le compresseur auxiliaire est conçu pour pouvoir être placé dans un état actif ou inactif indépendamment de l'état actif ou inactif dans lequel est placé le compresseur principal 2, étant toutefois précisé que l'état inactif du compresseur principal 2 impose l'état inactif du compresseur auxiliaire 3. Plus précisément, le premier élément bistable 81 adopte à volonté un état passant dans lequel il relie l'entrée 30 et la sortie 31 du compresseur auxiliaire 3 (figures 4 et 6), ou un état bloquant (figures 2, 3, et 5) dans lequel il isole l'une de l'autre cette entrée 30 et cette sortie 31, et le compresseur auxiliaire 3 est placé dans son état inactif lorsque le premier élément de circuit bistable 81 est dans son état passant. L'installation fonctionne donc sur un étage lorsque le premier élément de circuit bistable 81 est dans son état passant, et sur deux étages lorsque le premier élément de circuit bistable 81 est dans son état bloquant. L'installation thermique de l'invention peut en outre être conçue de manière à assurer, à volonté, une fonction de refroidissement ou une fonction de réchauffage. Pour ce faire, le circuit 11 de fluide caloporteur comprend un second élément 82 de circuit bistable, un troisième détendeur 63, et deux clapets anti-retour, 91 et 92. Le second élément 82 de circuit bistable est installé à la fois entre les extrémités 111 et 112 du circuit 11 et entre la sortie 21 du compresseur principal 2 et l'entrée 30 du compresseur auxiliaire 3. Ce second élément bistable 82 est par ailleurs conçu pour pouvoir adopter à volonté un premier état dans lequel les extrémités 111 et 112 du circuit 11 sont respectivement reliées à la sortie 21 du compresseur principal 2 et à l'entrée 30 du compresseur auxiliaire 3 (figures 2 à 4) ou un second état dans lequel les extrémités 111 et 112 du circuit 11 sont respectivement reliées à l'entrée 30 du compresseur auxiliaire 3 et à la sortie 21 du compresseur principal 2 (figures 5 et 6), le fluide caloporteur circulant dans le circuit 11 depuis l'extrémité haute pression 111 vers l'extrémité basse pression 112 dans le premier cas, et depuis l'extrémité haute pression 112 vers l'extrémité basse pression 111 dans le second cas. Par ailleurs, le troisième détendeur 63 est installé entre l'élément 41 de l'échangeur à eau 4 et le point de dérivation 113, et les clapets antiretour 91 et 92 sont respectivement montés en parallèle sur les détendeurs 61 et 63, ces clapets ne laissant passer que le fluide caloporteur circulant vers le point de dérivation 113. Dans ces conditions, le fluide caloporteur produit du froid dans l'échangeur à air 7, par suite de sa détente dans le détendeur 61, lorsque l'élément bistable 82 est dans son premier état, et produit du chaud dans l'échangeur à air 7, par suite de sa compression par le compresseur principal 2, lorsque l'élément bistable 82 est dans son second état, cette installation pouvant donc fonctionner en pompe à chaleur réversible. Pour donner à l'installation ainsi conçue une souplesse de fonctionnement optimale, le compresseur auxiliaire 3 présente de préférence une cylindrée variable. Par exemple, ce compresseur 3 présente une vitesse de rotation variable et / ou comporte deux modules de compression ou plus, montés en parallèle et placés dans des états respectifs actif ou inactif indépendamment l'un de l'autre. Comme le montre la figure 9, les caractéristiques du compresseur 3 peuvent aussi être améliorées en prévoyant une injection en milieu de compression (compresseur à vis ou à volutes) permettant un refroidissement supplémentaire du liquide avant sa détente et conduisant à un meilleur rendement frigorifique ou calorifique. L'installation comprend alors typiquement un échangeur interne supplémentaire 50 et un détendeur supplémentaire 60, montés comme illustré à la figure 9. Les figures 7 et 8 représentent un échangeur à air particulièrement conçu pour constituer le second échangeur principal 71 d'une installation telle que précédemment décrite. Un tel échangeur comprend, de façon connue en soi, un premier orifice de branchement 711a, un second orifice de branchement 717a, un distributeur 711, une conduite de collecte 712, et un réseau de serpentins tels que 713a à 713d. Comme le montre la figure 7, le premier orifice de branchement 71la est formé sur le distributeur 711. La conduite de collecte 712, qui est disposée verticalement sur une partie au moins de sa longueur, est raccordée au second orifice de branchement 717a, lequel est disposé au-dessous des serpentins 713a à 713d, c'està-dire à un niveau inférieur au plus bas niveau de ces serpentins. Par ailleurs, chaque serpentin comprend une première 5 extrémité telle que 714a à 714d, et une seconde extrémité telle que 715a à 715d. Ces serpentins sont reliés au distributeur 711, par leurs extrémités 714a à 714d respectives, au moyen de brins de 10 distribution respectifs 716a à 716d. Par ailleurs, ces serpentins sont reliés en parallèle à la conduite de collecte 712 par leurs secondes extrémités respectives, 715a à 715d. Dans l'échangeur de l'invention, les premières extrémités respectives 714a à 714d des serpentins 713a à 713d sont toutes situées au-dessus du distributeur 711, et les brins de distribution 716a à 716d sont, sur toute leur longueur, en pente descendante vers le distributeur 711. Pour augmenter encore l'efficacité de son dégivrage, l'échangeur à air de l'invention peut avantageusement comprendre une deuxième conduite de collecte 717 disposée horizontalement. Dans ce cas, la première conduite de collecte 712 présente par exemple une portion horizontale 712a reliée à la deuxième conduite de collecte 717. Plus précisément, la portion horizontale 712a de la première conduite de collecte 712 est reliée à la deuxième conduite de collecte 717 par une ou plusieurs nappes de tubulures 718 sensiblement horizontales, et est reliée, à travers cette nappe de tubulures 718 et à travers cette deuxième conduite de collecte 717, au second orifice de branchement 717a. Comme le montre la figure 7, chacune des tubulures 718 peut être conformée en épingle à cheveux, de manière que l'ensemble de ces tubulures forme deux nappes horizontales parallèles et superposées. Enfin, comme le montre la figure 8, l'échangeur de l'invention est de préférence équipé d'un capot 719 qui le coiffe en laissant, à sa base 719, au moins deux passages d'air principaux PA1 et PA2, permettant la circulation d'air sous ce capot. REVENDICATIONS 1. Installation thermique, telle qu'une installation frigorifique, comprenant un circuit {11) de fluide caloporteur à changement de phase, une dérivation (12), un compresseur principal (2), et un compresseur auxiliaire (3), le circuit (11) présentant des première et seconde extrémités (111, 112) dont l'une forme, en fonctionnement, une extrémité haute pression et l'autre une extrémité basse pression et entre lesquelles sont montés en série au moins un élément (41) d'un premier échangeur principal (4), un premier élément (51) d'un échangeur interne (5), un premier détendeur (61), et un élément (71) d'un second échangeur principal (7), le compresseur principal (2) ayant une entrée {20) reliée à l'extrémité basse pression du circuit (11) et une sortie (21) reliée à l'extrémité haute pression du circuit (11), la dérivation (12) reliant un point de dérivation (113) du circuit, intermédiaire entre l'élément (41) du premier échangeur principal (4) et le premier élément (51) de l'échangeur interne (5), à l'entrée (20) du compresseur principal (2), et incluant, en série et dans cet ordre, un second détendeur (62) et un second élément (52) de l'échangeur interne (5) en communication thermique avec le premier élément (51) de cet échangeur interne (5), et le compresseur auxiliaire (3) ayant une entrée (30) reliée à l'extrémité basse pression du circuit (11) et une sortie (31) reliée à l'entrée (20) du compresseur principal (2) en aval du second élément (52) de l'échangeur interne (5), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un premier élément (81) de circuit bistable disposé entre l'entrée (30) et la sortie (31) du compresseur auxiliaire (3), ce premier élément bistable {81) adoptant sélectivement un état passant ou un état bloquant dans lesquels il relie ou isole l'une de l'autre, respectivement, l'entrée (30) et la sortie {31) du compresseur auxiliaire (3), le compresseur auxiliaire (3) étant sélectivement placé dans un état actif ou inactif lorsque le compresseur principal (2) est dans un état actif et le premier élément de circuit bistable (81) étant placé dans son état passant lorsque le compresseur auxiliaire (3) est dans son état inactif, cette installation pouvant ainsi fonctionner, à volonté, sur un ou deux étages. 2. Installation thermique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit (11) de fluide caloporteur comprend en outre un second élément (82) de circuit bistable, un troisième détendeur (63), et deux clapets anti-retour (91, 92), le second élément (82) de circuit bistable étant installé entre les première et seconde extrémités (111, 112) du circuit (11) et entre la sortie (21) du compresseur principal (2) et l'entrée (30) du compresseur auxiliaire (3), et adoptant sélectivement un premier ou un second états dans lesquels la première extrémité (111) du circuit (11) est respectivement reliée à la sortie (21) du compresseur principal (2) et à l'entrée (30) du compresseur auxiliaire (3), la seconde extrémité (112) de ce circuit (11) étant respectivement reliée à l'entrée (30) du compresseur auxiliaire (3) et à la sortie {21) du compresseur principal (2), en ce que le troisième détendeur (63) est installé entre l'élément (41) du premier échangeur principal (4) et le point de dérivation (113), et en ce que les clapets anti-retour (91, 92) sont respectivement montés en parallèle sur les premier et troisième détendeurs (61, 63) et sont passants pour le fluide caloporteur circulant vers le point de dérivation {113), cette installation pouvant ainsi fonctionner en pompe à chaleur réversible. 3. Installation thermique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le premier échangeur principal 10 (4) est un échangeur à eau. 4. Installation thermique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le second échangeur principal (7) est un échangeur à air. 5. Installation thermique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le compresseur auxiliaire (3) présente une cylindrée variable. 6. Installation thermique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le compresseur auxiliaire (3) présente une vitesse de rotation variable. 7. Installation thermique suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le compresseur auxiliaire (3) comporte au moins deux modules de compression montés en parallèle et placés dans des états respectifs actif ou inactif indépendamment l'un de l'autre. 8. Installation thermique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le second échangeur principal (7) est du type comprenant des premier et second orifices de branchement (711a, 717a), un distributeur (711) sur lequel est prévu le premier orifice de branchement (711a), au moins une première conduite de collecte (712) au moins partiellement verticale et raccordée au second orifice de branchement (717a), et un réseau de serpentins (713a - 713d) comprenant chacun des première (714a - 714d) et seconde extrémités (715a - 715d), en ce que le second orifice de branchement (717a) est disposé au-dessous des serpentins (713a - 713d), en ce que ces serpentins sont reliés au distributeur (711) par leurs premières extrémités respectives (714a 714d) au moyen de brins de distribution respectifs (716a - 716d), et sont reliés en parallèle à la première conduite de collecte (712) par leurs secondes extrémités respectives (715a - 715d), en ce que les premières extrémités respectives (714a - 714d) des serpentins (713a - 713d) sont toutes situées au-dessus du distributeur (711), et en ce que les brins de distribution (716a - 716d) sont, sur toute leur longueur, en pente descendante vers le distributeur (711). 9. Installation thermique suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le second échangeur principal (7) comprend une deuxième conduite de collecte (717) disposée horizontalement, en ce que la première conduite de collecte (712) présente une portion horizontale (712a), et en ce que la portion horizontale (712a) de la première conduite de collecte (712) est reliée à la deuxième conduite de collecte (717) par au moins une nappe de tubulures (718) sensiblement horizontales, et est reliée au second orifice de branchement (717a) à travers cette nappe de tubulures (718) et à travers cette deuxième conduite de collecte (717). 10. Installation thermique suivant l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que le second échangeur principal (7) comprend en outre un capot (719) qui le coiffe en laissant au moins deux passages (PAl, PA2) de circulation d'air à la base de cet échangeur.