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Dispositif de sécurité et de contrôle pour compresseur de machine frigorifique Objet de l'invention [0001] La présente invention se rapporte aux machines frigorifiques, et plus particulièrement aux compresseurs présents dans les machines frigorifiques.
[0002] La présente invention se rapporte en particulier à un dispositif de sécurité, de contrôle et de gestion pour compresseur de machine frigorifique.
Arrière-plan technologique [0003] Dans les machines frigorifiques, un ou plusieurs compresseurs sont utilisés pour comprimer un fluide frigorigène. Ce type d'installation est bien connu de l'état de la technique. Ces compresseurs sont utilisés isolément ou en groupes de plusieurs compresseurs branchés en parallèle pour former une centrale frigorifique. Ils ont pour fonction de comprimer le fluide frigorigène provenant sous forme gazeuse d'un évaporateur, et de le restituer sous haute pression à un condenseur. Ils sont utilisés pendant de longues périodes, sans surveillance, et doivent répondre à des contraintes de charge variable, résultant des conditions d'usage des frigos ou entrepôts dans lesquels ils sont utilisés, des conditions climatiques aléatoires, et de défauts éventuels dans le circuit auquel ils sont raccordés.
De nombreuses causes externes peuvent donc être la source de problèmes de fonctionnement pouvant conduire à des pannes d'un compresseur. Les causes et les conditions dans lesquelles un défaut est survenu ne sont pas toujours
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facile à déterminer, ce qui peut poser des problèmes de responsabilité, en particulier pendant l'année de garantie d'une installation.
[0004] La lubrification d'un compresseur peut se faire par barbotage ou à l'aide d'une pompe à huile. A l'arrêt du compresseur, si l'huile est trop froide, le fluide frigorigène se dissout dans l'huile, et peut même se condenser.
Le fluide frigorigène sous forme liquide ayant une densité supérieure à celle de l'huile, il se rassemble alors dans le fond du carter du compresseur. Lors du redémarrage du compresseur, la pompe à huile fait circuler une huile chargée en fluide frigorigène, ou même du fluide frigorigène pur condensé. Le fluide frigorigène étant un dégraissant, le compresseur se détériore et grippe rapidement. De plus, si le compresseur démarre lorsque du fluide frigorigène condensé s'est rassemblé dans le fond du carter, il peut se produire le phénomène suivant : l'action du compresseur diminue la pression dans le carter du compresseur. Sous l'effet de cette diminution de la pression, le fluide frigorigène s'évapore, sous forme de bulles et traverse la couche d'huile qui le recouvre.
Cette évaporation peut se produire de manière brutale, et provoquer une émulsion huile/gouttelettes de vapeur du fluide frigorigène. Cette émulsion occupe le volume du carter, et est finalement entraînée par le compresseur vers le refoulement, entraînant une grande quantité d'huile dans le circuit frigorifique.
Ce phénomène est connu sous le nom d' effet mayonnaise .
[0005] Lorsque la température de l'huile est trop élevée, sa viscosité est réduite, diminuant ainsi ses propriétés de lubrification. Des grippages ou une usure prématurée du compresseur peuvent en résulter.
[0006] Parfois il arrive que le fluide frigorigène ne s'évapore pas correctement dans l'évaporateur, et retourne au compresseur sous forme de liquide. Ce phénomène, appelé coup de liquide est une importante cause de casse des compresseurs. Il peut se produire lorsqu'un détendeur est mal réglé ou bloqué en position ouverte ou lors d'un défaut de fonctionnement de l'évaporateur.
[0007] Parfois au contraire, le fluide frigorigène retourne au compresseur sous forme de vapeur surchauffée, pouvant causer une surchauffe de l'huile du compresseur et causer les problèmes évoqués ci-
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dessus. Ce phénomène est connu sous le nom de surchauffe importante par les frigoristes.
[0008] D'autres problèmes pouvant survenir sur ce type de machines sont : fuite de fluide frigorigène, mauvais refroidissement du condenseur, etc.
[0009] Les problèmes cités ci-dessus peuvent généralement être détectés par un technicien à l'aide de mesures de température, pression, niveau d'huile, etc.
État de la technique [0010] On constate des problèmes cités ci-dessus que pour le bon fonctionnement d'une installation frigorifique, il est nécessaire de contrôler le fonctionnement du compresseur, en fonction de mesures telles que températures, pressions, niveau d'huile, etc. Ces mesures permettent de déterminer si le compresseur peut être mis en marche ou doit être arrêté.
[0011] Parmi les sécurités utilisées de manière traditionnelle figurent les pressostats basse pression, raccordés au carter du compresseur.
Ces pressostats sont réglés une fois pour toutes lors de l'installation, et ne permettent pas de contrôle intelligent d'une installation.
[0012] De manière traditionnelle, on installe des capteurs sur une installation frigorifique, et on les relie à un panneau de contrôle. Ce panneau de contrôle comprend de nombreux éléments électriques et électroniques. Il est généralement assemblé sur site, ce qui représente une charge de travail et une source d'erreurs. De plus, ce panneau de contrôle étant installé à une certaine distance du ou des compresseurs, il requiert de nombreuses liaisons électriques et hydrauliques. Ces nombreux éléments disjoints ne sont pas conçus pour collaborer entre eux et assurer une optimisation du fonctionnement du compresseur.
[0013] On connaît de EP 0 907 058 A2 un dispositif de contrôle pour compresseur de machine frigorifique. Ce dispositif comprend un circuit électronique dans un boîtier pouvant être installé sur le compresseur. Dans ce dispositif, des alarmes de pression d'huile haute et basse permettent d'arrêter le compresseur. Suivant cette invention, le circuit électronique comporte un
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temporisateur qui a pour fonction de retarder le redémarrage du compresseur après le retour à la normale de la pression d'huile. Durant ce délai, l'huile se stabilise, et le réfrigérant éventuellement présent dans l'huile se sépare. Un utilisateur peut communiquer avec le dispositif à l'aide d'un appareil portatif. Ce dispositif ne comporte cependant aucun moyen de mesure de pression, ce qui le rend inapte à détecter les défauts évoqués ci-dessus.
[0014] On connaît également un dispositif de contrôle pour compresseur de machine frigorifique du document US 5 901 559. Ce dispositif décrit un contrôleur de niveau d'huile, apte à admettre dans le carter d'un compresseur l'huile collectée dans un réservoir. Suivant ce document, une première temporisation est prévue lors de la détection du niveau bas d'huile, avant l'admission d'huile. Une seconde temporisation est également prévue pour maintenir l'admission d'huile pendant un délai après le retour du niveau d'huile au-dessus du seuil bas. Ce document évoque également la possibilité de mesurer d'autres paramètres (Voir input device 98 sur figures 2 et 5, ainsi que dans le texte, colonne 2, ligne 54 à 62, et colonne 5, lignes 38 à 59).
Cependant, seul le problème du contrôle du niveau d'huile dans le carter du compresseur est traité dans ce document, l'utilisation d'autres paramètres n'étant évoquée que de manière très générale.
[0015] Ces dispositifs connus ne permettent donc pas de résoudre tous les problèmes précités, ce qui nuit à la durée de vie du compresseur. En particulier, le principe de contrôle de ces dispositifs est basé sur l'hypothèse selon laquelle le compresseur se trouve dans un état de fonctionnement correct après écoulement d'un certain délai, sans qu'il y ait réellement une mesure de cet état.
Buts de l'invention [0016] La présente invention vise à fournir un dispositif de sécurité pour compresseur de machine frigorifique, permettant de prolonger la durée de vie du compresseur.
[0017] En particulier, la présente invention vise à fournir un dispositif qui détecte les problèmes pouvant détériorer le compresseur, et qui prend les mesures nécessaires à sa sauvegarde.
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[0018] La présente invention vise également à fournir un dispositif permettant de réaliser la régulation d'une centrale frigorifique.
Résumé de l'invention [0019] La présente invention se rapporte à un dispositif de sécurité et de contrôle pour compresseur de machine frigorifique, placé sur le carter du compresseur, comportant un moyen de contrôle électronique programmable apte à arrêter le fonctionnement et/ou interdire le démarrage du compresseur, et un capteur de la pression à l'aspiration du compresseur #asp, ce capteur étant relié au moyen de contrôle électronique programmable.
[0020] De préférence, le dispositif de sécurité comprend en outre un capteur de la température à l'aspiration du compresseur Tasp, et le moyen de contrôle est apte à calculer la température Tsat qu'aurait le fluide frigorigène au point de la courbe de vapeur saturée correspondant à la pression à l'aspiration du compresseur #asp, et à arrêter et/ou interdire le démarrage du compresseur si cette température Tasp diffère de plus d'une valeur seuil de la température calculée Tsat.
[0021] Dans ce dispositif, le moyen de contrôle électronique programmable peut comporter des moyens aptes à recevoir des paramètres A1 et B1, et permettant de calculer la température Tsat en fonction de la pression pasp au moyen de la relation
Tsat =(B1/(A1-Ln(pasp+1))-273 lesdits paramètres étant choisis en fonction du fluide frigorigène utilisé dans la machine frigorifique.
[0022] Le dispositif peut avantageusement comprendre un capteur de la température de l'huile dans le compresseur Thulie, et le moyen de contrôle électronique programmable comporter des moyens aptes à recevoir les caractéristiques de l'huile et du fluide frigorigène utilisé, et à déterminer la concentration de fluide frigorigène dans l'huile et la viscosité cinématique de l'huile, en fonction de la température de l'huile dans le compresseur, Thune, et de la pression à l'aspiration du compresseur, pasp, et à arrêter et/ou interdire le
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démarrage du compresseur si cette viscosité est inférieure à un seuil prédéterminé.
[0023] Dans une variante préférée de l'invention, le moyen de contrôle électronique programmable comporte des moyens aptes à arrêter le fonctionnement et/ou interdire le démarrage du compresseur lorsque la pression à l'aspiration du compresseur pasp est inférieure à un seuil prédéterminé.
[0024] Dans une autre variante préférée de l'invention, le dispositif comprend un capteur de la pression au refoulement du compresseur #HP et ce capteur est relié au moyen de contrôle électronique programmable de manière à arrêter le fonctionnement et/ou interdire le démarrage du compresseur lorsque la pression au refoulement du compresseur #HP est supérieure à un seuil prédéterminé.
[0025] Les capteurs de pressions sont de préférence des capteurs céramiques à couches épaisses, ou des capteurs piézorésistifs.
[0026] Le moyen de contrôle électronique programmable comporte de préférence un microprocesseur.
[0027] Le moyen de contrôle électronique programmable peut également comporter des moyens de mémorisation et/ou des moyens de communication.
[0028] Le moyen de contrôle électronique programmable peut favorablement être apte à activer des moyens de signalisation locaux et/ou à distance.
[0029] Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, le dispositif est conçu pour utilisation dans une centrale frigorifique, dans laquelle chaque compresseur comporte un dispositif suivant l'invention, ces dispositifs étant reliés entre eux. Le moyen de contrôle électronique programmable d'un des compresseurs détermine, en fonction d'une valeur de consigne, d'un paramètre mesuré ou calculé, s'ils doit faire démarrer le compresseur qu'ils contrôle, en prenant en compte les mesures des capteurs, les informations mémorisées et celles communiquées par au moins un autre dispositif semblable installé sur un autre compresseur.
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Brève description des figures [0030] La figure 1 représente une installation frigorifique de l'état de la technique comportant un compresseur muni d'un dispositif suivant l'invention.
[0031] La figure 2 représente le diagramme pression-enthalpie représentatif du cycle thermodynamique parcouru par un fluide frigorigène dans l'installation de la figure 1.
[0032] La figure 3 représente les courbes des caractéristiques d'une huile de lubrification et d'un fluide frigorigène.
[0033] La figure 4 représente un groupe de compresseurs pour fonctionnement dans une centrale frigorifique, chaque compresseur étant muni d'un dispositif suivant l'invention, ces dispositifs étant reliés entre eux au moyen d'un réseau.
Description détaillée d'une forme d'exécution préférée de l'invention [0034] Comme illustré de manière simplifiée à la figure 1, une installation frigorifique comprend : - un compresseur 1 qui comprime un fluide frigorigène en phase gazeuse, en augmentant sa température ; - un condenseur 2 qui, refroidi par une source froide telle que de l'air extérieur ou de l'eau, fait chuter la température et condense le réfrigérant ; - un réservoir dans lequel le réfrigérant liquide est stocké (non représenté) ; - un détendeur 3; - et un évaporateur 4 dans lequel le fluide frigorigène passe de la phase liquide à la phase vapeur en prélevant des calories dans son environnement.
[0035] L'évaporateur 4 permet donc la production du froid dans une chambre froide, un meuble réfrigéré ou peut également refroidir un liquide dans un échangeur de chaleur.
[0036] Le dispositif de sécurité selon l'invention comprend un boîtier 5 qui vient se fixer sur le carter du compresseur 1, de préférence à
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l'emplacement prévu pour le voyant de niveau d'huile. Un capteur de pression piézo-résistif 6 à l'intérieur du boîtier 5 est en contact avec la pression régnant dans le carter du compresseur et transmet un signal analogique au microcontrôleur 7 (non représenté sur la fig. 1). Une sonde de température 8, par exemple une thermorésistance, plonge dans l'huile 9 contenue dans le fond du carter du compresseur 1, et transmet également une valeur au microcontrôleur 7. Un deuxième capteur de pression 10, également piézorésistif, est installé dans le boîtier 5 et est relié par un tube 11 au refoulement du compresseur 1.
Enfin, un capteur de température mesure la température Tasp à l'aspiration du compresseur. Tous ces capteurs sont soit intégrés au boîtier 5, soit reliés directement à celui ci par un câble ou un tube 11 court. Le compresseur 1 muni de son dispositif de sécurité forme un ensemble compact, facile à monter et à tester en usine.
[0037] Dans l'utilisation du dispositif suivant l'invention, l'utilisation conjointe d'un transmetteur de pression analogique et d'un microcontrôleur permet de varier les seuils et les délais de déclenchement et d'enclenchement du compresseur. Si cette pression devient trop basse, par exemple en cas de fuite de fluide frigorigène, de mauvais réglage ou de la fermeture d'une vanne, le compresseur est arrêté, et une alarme est signalée. On a donc une souplesse d'utilisation qu'il n'était pas possible d'obtenir avec les pressostats classiques. L'utilisation d'un capteur de pression présente, par rapport à l'utilisation d'un pressostat, l'avantage de donner une mesure réelle de la pression, ne présentant pas les imprécisions qu'on peut avoir avec un pressostat mécanique.
[0038] La figure 2 illustre le diagramme pression-enthalpie d'un fluide frigorigène. Dans ce diagramme, le fluide est sous forme liquide dans la zone A, sous forme gazeuse dans la zone C. Les phases liquide et gazeuse coexistent dans la zone B. La portion 20 de la courbe de changement de phase est la courbe de vapeur saturée . Le point 1 est représentatif de l'aspiration du compresseur. Le segment 1-2 représente la compression, le segment 2-3 représente la condensation. Le segment 3-4 représente la détente dans le détendeur, et le segment 4-1 l'évaporation. Dans les conditions optimales de fonctionnement, tout le fluide est vaporisé à l'issue du parcours dans
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l'évaporateur.
Les problèmes évoqués ci-dessus, à savoir coup de liquide et surchauffe importante se traduisent par un point représentatif du fluide à l'entrée du compresseur non pas au point 1 du diagramme, mais en un point situé à gauche pour le coup de liquide (tout le fluide n'est pas évaporé), ou à droite de celui-ci pour la surchauffe importante ( le gaz a été réchauffé dans l'évaporateur au-delà de la normale). Ces deux problèmes sont résolus par le dispositif de l'invention de la manière suivante : Le microcontrôleur calcule la température que devrait avoir le fluide au point 1 de la courbe de vapeur saturée correspondant à la pression mesurée à l'aspiration.
La portion 20 de la courbe peut être approchée par la relation pression-température, de la forme Tsat=(B1/(A1-Ln(pasp+1))-273 Les paramètres A1 et B1 sont déterminés pour le fluide frigorigène utilisé, et enregistrés dans le microcontrôleur 6. La température Tasp, mesurée par le capteur 12, est comparée à la valeur qu'elle devrait avoir si le point de fonctionnement était bien le point 1, c'est-à-dire Tsat. Si Tasp est inférieur ou égale à Tsat, on risque le coup de liquide. Si cette différence est supérieure à un seuil, le compresseur est arrêté. Le seuil peut être compris entre 5 et 20 , par exemple 10 . Si au contraire, Tasp est supérieur à Tsat, on a une surchauffe importante, qui risque de surchauffer l'huile. On arrête donc le compresseur si cette différence est supérieure à un seuil.
Ce deuxième seuil peut également être compris entre 5 et 20 , par exemple 10 .
[0039] Le dispositif suivant l'invention peut également comprendre un capteur 10 de pression haute pHp, raccordé par un flexible 11 à la partie pression haute de la culasse du compresseur. En cas de pression trop élevée, dont la principale cause est un mauvais refroidissement du condenseur (ventilateur hors service, batterie encrassée ou manque d'eau pour les condenseurs à eau), le microcontrôleur signale une alarme de pression haute. [0040] Un capteur d'intensité mesure l'intensité du moteur du compresseur. Si cette intensité s'écarte trop d'une valeur nominale, le microcontrôleur signale une alarme d'intensité. Cela permet d'éviter que le
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compresseur ne fonctionne dans des conditions d'intensité anormales et néfastes.
[0041] De l'huile contenue dans le carter du compresseur assure la bonne lubrification des pièces en mouvement. La lubrification peut être assurée par barbotage pour les petites puissances et par une pompe à huile pour les compresseurs plus importants. Le type d'huile utilisé dépend du type de fluide frigorigène utilisé dans l'installation et des températures de fonctionnement ainsi que des préconisations du constructeur du compresseur. On voit aussi sur la figure 1 un capteur de température d'huile, qui mesure la température de l'huile. Si l'huile est trop froide, il est impossible d'éviter la migration de fluide frigorigène dans l'huile. Au démarrage du compresseur le fluide frigorigène mélangé à l'huile est injecté par la pompe à huile dans les paliers du compresseur. Le fluide frigorigène étant un dégraissant le compresseur grippe rapidement.
Pour éviter ce problème, une résistance de carter est mise sous tension de façon à maintenir la température suffisamment élevée. Si la température est suffisante, cette tension peut être coupée de façon à réaliser des économies d'énergie. Les moyens de contrôle mettent la résistance de carter sous tension ou non, en fonction de la température de l'huile et de la température souhaitée que le microcontrôleur détermine à partir du type de gaz, du type d'huile et de la basse pression. Tant que la concentration en fluide frigorigène dans l'huile n'est pas acceptable, le microcontrôleur interdit le démarrage du compresseur et continue à chauffer l'huile.
[0042] La figure 3 représente les courbes des caractéristiques d'une huile de lubrification et d'un fluide frigorigène. Ces courbes sont enregistrées dans le microcontrôleur, sous forme de tables, ou de courbes paramétriques.
Le microcontrôleur peut alors déterminer, sur base de la température de l'huile, et de la pression à l'aspiration #asp, la teneur en fluide frigorigène qui s'est dissoute dans l'huile. Par exemple, pour une température de 30 C, est sous une pression de 5 bar, on relève que le fluide frigorigène R22 se dissout dans l'huile Suniso 4GS, jusqu'à une teneur de 10%. Le microcontrôleur peut alors déterminer, pour cette même température de 30 C, sur la courbe 10% de fluide frigorigène dans l'huile , que la viscosité cinématique de cette huile est de 30 cSt.
Pour éviter des défauts de lubrification, le microcontrôleur signale
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une alarme et interdit le démarrage du compresseur quand la viscosité est inférieure à une valeur déterminée, généralement spécifiée par le constructeur du compresseur.
[0043] Pour prolonger la durée de vie d'un compresseur, il faut éviter qu'il ne démarre plus de six fois par heure. Dans le dispositif selon l'invention, le microcontrôleur détecte le démarrage du compresseur grâce au capteur d'intensité, et sont reliés à une horloge, ce qui permet de réaliser cette fonction.
[0044] En général, l'utilisateur d'une machine frigorifique ne se trouve pas en permanence à proximité de son installation. Il est donc intéressant de connaître l'état actuel du compresseur et les éventuelles alarmes correspondantes, mais également l'état passé. C'est pourquoi le dispositif selon l'invention comprend une mémoire, dans laquelle le microcontrôleur peut enregistrer les informations relatives à l'état et aux alarmes du compresseur.
[0045] Les informations mémorisées comprennent les températures et pressions mesurées, les températures et viscosité calculées, les alarmes signalées. Dans cet exemple, les informations sont enregistrées toutes les 30 secondes, et la mémoire est de capacité suffisante pour mémoriser les informations correspondant à une durée d'un mois.
[0046] Le dispositif selon l'invention comprend également des moyens de communication, permettant aux microcontrôleur d'échanger avec un utilisateur des informations sur l'état et les alarmes actuelles et passées du compresseur. Ces moyens de communication permettent aussi à l'utilisateur de donner des instructions et des paramètres aux microcontrôleur, par exemple le type de fluide frigorigène, le type d'huile, les valeurs limites correspondant à chaque alarme, etc.. Ces moyens de communication peuvent comprendre un réseau local filaire ou sans fil.
[0047] Chacune des alarmes peut donner lieu à l'affichage d'un message, à un enregistrement, une interdiction de démarrage du compresseur ou un arrêt de celui-ci s'il est en marche, éventuellement après l'écoulement d'un certain délai ou la réalisation d'autres conditions. Les alarmes peuvent être signalées aux opérateurs de maintenance par l'allumage de diodes
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électroluminescentes sur une face du boîtier 5, ou, lorsque le dispositif est relié à un réseau, à un panneau ou écran d'affichage central.
[0048] La figure 4 représente une machine équipée de plusieurs compresseurs. Une telle machine s'appelle centrale frigorifique. Le but d'une centrale frigorifique est de maintenir une pression basse ou une pression haute constante, en fonction de la variation de charge de l'installation. Cette variation de charge est due à l'arrêt du froid sur un poste quand celui-ci est arrêté ou quand celui-ci a atteint la température désirée.
[0049] Dans la centrale frigorifique, chaque compresseur est équipé d'un dispositif selon l'invention 5, comprenant donc un capteur de pression basse et/ou haute. Le microcontrôleur d'un compresseur décide si le compresseur qu'il commande doit être démarré ou arrêté en fonction de la pression basse ou haute mesurée, d'une pression de consigne et de l'état des autres compresseurs avec lesquels il peut communiquer grâce aux moyens de communications 30 filaire ou sans fil (par onde radio). Ils prennent évidemment aussi en compte les alarmes générées.
[0050] Chaque dispositif prend sa décision indépendamment des autres, ce qui présente comme avantage un équilibrage statistique des temps de fonctionnement de chaque compresseur, et l'absence d'une unité centrale dont un défaut serait néfaste à l'ensemble des compresseurs.
[0051] Le dispositif suivant l'invention fournit donc un organe de sécurité simple et facile à mettre en #uvre pour éviter les conditions pouvant provoquer des pannes de compresseur. Il permet également de réguler une centrale frigorifique, sans devoir recourir à un organe de contrôle centralisé.