FR2730556A1 - Portable refrigerated cooling system - Google Patents

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Abstract

The cooling system has a closed primary circuit with an evaporator (1), a flow restrictor (2), a high flow rate compressor (3), and a condenser (5). The fluid used in the primary circuit is principally water. The secondary circuit of the cooling system is an open circuit, using air as the working fluid, and has a low flow rate compressor (4). The compressor is controlled (8) by pre-defined function of the pressure in the condenser (5), the compressor being activated when the pressure in the condenser is greater than a threshold between 0.2 and 0.3 bar, and is de-activated when the pressure is greater than a second threshold between 0.2 and 0.3 bar. A non-return valve (10) is placed beyond the low flow compressor.

Description

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT
ERGONOMIQUE ET ECOLOGIQUE
La présente invention concerne un système de refroidissement portable, ergonomique et écologique particulièrement léger et offrant une maintenance peu coûteuse permettant de refroidir un porteur lorsqu'il a trop chaud.
COOLING SYSTEM
ERGONOMIC AND ECOLOGICAL
The present invention relates to a portable, ergonomic and ecological cooling system which is particularly light and offers inexpensive maintenance making it possible to cool a carrier when it is too hot.

La plus part des dispositifs existants utilisent des fluides frigorigènes à base de "Freon" ou de composés spécifiques. Ces fluides sont soit dangereux pour notre environnement soit coûteux. Ils nécessitent une maintenance difficile et coûteuse.Most of the existing devices use refrigerants based on "Freon" or specific compounds. These fluids are either dangerous for our environment or costly. They require difficult and costly maintenance.

D'autre part lorsqu'on désire refroidir un homme, il est nécessaire d'utiliser un fluide caloriporteur comme un mélange d'eau glycol par exemple. Ce fluide circule dans un sous vêtement porté par le sujet. Ce concept nécessite un échangeur entre l'évaporateur et le fluide caloriporteur. La masse et le prix s'en trouvent fortement augmentés. La maintenance est coûteuse dans la mesure où il faut vérifier et faire les pleins régulièrement, d'une part de "Freon" et d'autre part des fluides caloriporteurs. Des pertes de rendement existent au niveau de l'échangeur "Freon"/liquide caloriporteur et force à avoir un cycle "Freon" qui descend très bas en température. Or, le fait de descendre plus bas en température dégrade encore plus le rendement thermodynamique et augmente la quantité d'énergie électrique consommée par le compresseur et donc la masse et le prix des batteries.Il est nécessaire d'autre part de faire circuler le fluide caloriporteur et donc de prévoir la présence d'une pompe hydraulique qui augmente encore plus la masse, I'encombrement et le prix du système complet.On the other hand when it is desired to cool a man, it is necessary to use a heat-transfer fluid such as a mixture of glycol water for example. This fluid circulates in an undergarment worn by the subject. This concept requires an exchanger between the evaporator and the heat transfer fluid. The mass and the price are greatly increased. Maintenance is costly since it is necessary to check and refuel regularly, on the one hand with "Freon" and on the other hand with heat transfer fluids. Yield losses exist at the level of the "Freon" exchanger / heat transfer liquid and force to have a "Freon" cycle which drops very low in temperature. However, lowering the temperature further degrades the thermodynamic efficiency and increases the amount of electrical energy consumed by the compressor and therefore the mass and the price of the batteries. It is also necessary to circulate the fluid heat carrier and therefore to provide for the presence of a hydraulic pump which further increases the mass, size and price of the complete system.

L'eau est une fluide frigorigène exceptionnel car le changement de phase liquide vapeur nécessite l'apport de t40 kcal par kg d'eau. Ce chiffre est tout a fait exceptionnel lorsqu'on le compare à d'autres fluides (par exemple: éther: 50 kcal/kg; "Freon" R:12 28.6 kcallkg; ammoniaque NH3 260 kcal/kg). L'eau n'est pas réellement utilisée dans la pratique comme fluide frigorigène aujourd'hui car il est nécessaire, pour être utilisable, de réaliser un système suivant l'invention pour obtenir un système suffisamment léger, performant et peu coûteux.Water is an exceptional refrigerant because the change of vapor vapor phase requires the supply of t40 kcal per kg of water. This figure is quite exceptional when compared to other fluids (for example: ether: 50 kcal / kg; "Freon" R: 12 28.6 kcallkg; ammonia NH3 260 kcal / kg). Water is not really used in practice as a refrigerant today because it is necessary, to be usable, to make a system according to the invention to obtain a sufficiently light, efficient and inexpensive system.

D'autre part l'utilisation de l'eau comme fluide calorigène permet de simplifier l'ensemble du système de façon importante. En effet la présence d'un fluide caloriporteur n'est plus nécessaire car il est possible d'utiliser la fluide frigorigène (I'eau) comme fluide caloriporteur. D'autre part dans ce cas la température de l'eau dans le vêtement réfrigérant est très homogène.On the other hand, the use of water as circulating fluid makes it possible to simplify the whole system considerably. Indeed, the presence of a heat transfer fluid is no longer necessary because it is possible to use the refrigerant (water) as the heat transfer fluid. On the other hand in this case the temperature of the water in the cooling garment is very homogeneous.

Les termes employés ici ont la signification suivante
Pression : c'est la pression absolue (exprime ici en BAR) existant en
un point d'un circuit.
The terms used here have the following meanings
Pressure: this is the absolute pressure (expressed here in BAR) existing in
a point on a circuit.

Compresseur grand débit c'est un compresseur élevant la
pression d'un fluide ayant un débit volumétrique d'entrée au moins
égal à 100 litres par minute pour une puissance frigorifique fournie
de 100 WAtt.
High flow compressor it is a compressor raising the
pressure of a fluid having at least an inlet volumetric flow
equal to 100 liters per minute for supplied cooling capacity
of 100 WAtt.

Compresseur petit débit : c'est un compresseur élevant la pression
d'une fluide et ayant un débit volumétrique d'entrée au plus égale à
un dixième du débit d'entrée du compresseur grand débit.
Small flow compressor: it is a compressor raising the pressure
of a fluid and having an inlet volumetric flow at most equal to
one tenth of the high flow compressor input flow.

Un but de l'invention est de concevoir un équipement permettant le refroidissement d'un porteur lorsqu'il a trop chaud, en minimisant la masse, l'encombrement et la complexité de la maintenance. Ce système de refroidissement comprenant un circuit primaire, en boucle fermée, où circule le fluide, comprend au moins:
-un évaporateur
-une restriction de débit
-un compresseur à grand débit
-un condenseur
Ces buts sont atteints par le procédé selon l'invention qui est essentiellement caractérisé::
- en ce que le fluide placé dans le circuit est principalement de l'eau,
- en ce que un circuit secondaire, en boucle ouverte, entraîne la vapeur
du condenseur vers l'extérieur du circuit, dans l'atmosphère ambiante,
comprenant au moins un compresseur à petit débit,
- en ce que un moyen pilote le dit compresseur à petit débit suivant une
fonction prédéfinie de la pression PB régnant dans le condenseur.
An object of the invention is to design equipment allowing the cooling of a carrier when it is too hot, while minimizing the mass, the bulk and the complexity of maintenance. This cooling system comprising a primary circuit, in a closed loop, where the fluid circulates, comprises at least:
-an evaporator
- a flow restriction
-a high flow compressor
-a condenser
These aims are achieved by the method according to the invention which is essentially characterized:
- in that the fluid placed in the circuit is mainly water,
- in that a secondary circuit, in open loop, drives the steam
from the condenser to the outside of the circuit, in the ambient atmosphere,
comprising at least one low-flow compressor,
- in that a pilot means the said low-flow compressor according to a
predefined function of the pressure PB prevailing in the condenser.

De façon préférentielle le dit moyen est tel que le dit compresseur à petit débit est activé lorsque la pression PB est supérieure à une pression prédéfinie comprise entre 0.200 BAR et 0.300 BAR et est désactivé lorsque la pression PB est inférieure à une pression prédéfinie comprise entre 0.200 et 0300 BAR. Preferably, said means is such that said low-flow compressor is activated when the pressure PB is greater than a predefined pressure between 0.200 BAR and 0.300 BAR and is deactivated when the pressure PB is less than a predefined pressure between 0.200 and 0300 BAR.

De façon préférentielle un moyen désactive le compresseur à grand débit
lorsque le pression PB est supérieure à une pression prédéterminée entre
0.200 et 0.300 BAR.
Preferably a means deactivates the high flow compressor
when the pressure PB is greater than a predetermined pressure between
0.200 and 0.300 BAR.

De façon préférentielle une soupape antiretour est placée en aval du
compresseur à petit débit.
Preferably, a non-return valve is placed downstream of the
small flow compressor.

De façon préférentielle le compresseur à grand débit comprend au moins
une soupape aidée dans son mouvement par l'existence d'un champs
magnétique variable en fonction de la position angulaire du rotor du
compresseur.
Preferably, the high flow compressor comprises at least
a valve helped in its movement by the existence of a field
magnetic variable according to the angular position of the rotor of the
compressor.

L'invention sera mieux comprise par la description détaillée d'un mode particulier de réalisation donnée à titre d'exemple non limitatif. La description se réfere aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels
-la figure 1 est un schéma de principe d'un système de
refroidissement
-la figure 2 montre un assemblage possible d'un clapet mécanique
aidé à l'ouverture par un électroaimant
-la figure 3 montre la séquence d'aide à l'ouverture d'une soupape
d'admission du compresseur au cours d'un cycle
-la figure 4 montre un schéma d'un exemple de réalisation d'un
circuit bi-passant lié au compresseur à grand débit 3 afin d'activer
ou de désactiver le dit compresseur.
The invention will be better understood from the detailed description of a particular embodiment given by way of nonlimiting example. The description refers to the accompanying drawings in which
FIG. 1 is a block diagram of a system of
cooling
FIG. 2 shows a possible assembly of a mechanical valve
assisted in opening by an electromagnet
FIG. 3 shows the sequence of assistance in opening a valve
compressor intake during a cycle
FIG. 4 shows a diagram of an exemplary embodiment of a
dual-pass circuit linked to the high-speed compressor 3 in order to activate
or deactivate said compressor.

De l'eau est placée dans le circuit comprenant un évaporateur 1, une striction 2 un compresseur grand débit 3, un condenseur 5.Water is placed in the circuit comprising an evaporator 1, a neck 2 a high-flow compressor 3, a condenser 5.

L'évaporateur 1 peut être constitué de tubes fins et souples attachés à un sous vêtement placé sur une partie du corps du porteur.The evaporator 1 may consist of thin and flexible tubes attached to an undergarment placed on a part of the body of the wearer.

La striction 2 peut être réalisée à l'aide d'un tube fin à diamètre calibré ou en écrasant légèrement un tube métallique. La striction 2 peut être placée à un endroit quelconque situé entre le condenseur 5 et l'évaporateur 1. Le rôle de cette striction 2 est de limiter le débit de fluide et ainsi de maintenir un écart de pression entre l'évaporateur 1 et le condenseur 5.The necking 2 can be carried out using a fine tube with calibrated diameter or by slightly crushing a metal tube. The neck 2 can be placed at any location between the condenser 5 and the evaporator 1. The role of this neck 2 is to limit the flow of fluid and thus maintain a pressure difference between the evaporator 1 and the condenser 5.

Le compresseur à grand débit 3 peut être mu par un moteur électrique lui même alimenté par une source d'énergie électrique comme des piles ou des batteries par exemple. La quantité d'énergie électrique fournie au moteur du compresseur peut être réglable par le sujet en plaçant un potentiomètre par exemple. Le compresseur à pour rôle d'élever la pression (PE) qui règne dans l'évaporateur à une pression convenable (PC) pour assurer la condensation du fluide dans le condenseur amont. Compte tenue des pertes de charges des tuyauteries, la pression en amont du compresseur 3 est appelée PA et la pression en aval du compresseur 3 est appelée PB. La pression PA est sensiblement égale à PE et la pression PB est sensiblement égale à PC.The high flow compressor 3 can be driven by an electric motor itself powered by a source of electric energy such as cells or batteries for example. The amount of electrical energy supplied to the compressor motor can be adjusted by the subject by placing a potentiometer for example. The compressor has the role of raising the pressure (PE) which prevails in the evaporator to a suitable pressure (PC) to ensure the condensation of the fluid in the upstream condenser. Given the pressure losses of the pipes, the pressure upstream of the compressor 3 is called PA and the pressure downstream of the compressor 3 is called PB. The pressure PA is substantially equal to PE and the pressure PB is substantially equal to PC.

Le condenseur 5 placé dans l'atmosphère ambiante peut être constitué par un tube métallique thermiquement conducteur comme un tube d'aluminium ou de cuivre par exemple. Afin d'améliorer l'échange thermique avec l'extérieur un ventilateur 6 peut être placé pour augmenter le débit d'air
extérieur en contact avec le condenseur 5 et ainsi améliorer son
fonctionnement.
The condenser 5 placed in the ambient atmosphere can be constituted by a thermally conductive metal tube such as an aluminum or copper tube for example. In order to improve the heat exchange with the outside, a fan 6 can be placed to increase the air flow.
outside in contact with the condenser 5 and thus improve its
operation.

Un capteur de pression 7 réagit à la valeur de la pression PB existante dans le circuit en aval du compresseur 3. A pressure sensor 7 reacts to the value of the pressure PB existing in the circuit downstream of the compressor 3.

Les informations du capteur de pression 7 sont envoyées à un calculateur
qui compare les valeurs de pression mesurées par le capteur 7 avec une
valeur prédéterminée mémorisée PP choisie égale à 0.25 BAR par
exemple.
The information from the pressure sensor 7 is sent to a computer
which compares the pressure values measured by the sensor 7 with a
stored preset value PP chosen equal to 0.25 BAR per
example.

Un compresseur à petit débit 4 relie la partie du circuit située en aval du
compresseur à grand débit 3 avec l'extérieur. La pression en amont du
compresseur 4 est alors sensiblement égale à PB et la pression en aval du
compresseur 4 est alors sensiblement égale à la pression atmosphérique.
A small flow compressor 4 connects the part of the circuit located downstream of the
high flow compressor 3 with exterior. The pressure upstream of the
compressor 4 is then substantially equal to PB and the pressure downstream of the
compressor 4 is then substantially equal to atmospheric pressure.

Une soupape antiretour 10 est placée en aval du compresseur 4. A non-return valve 10 is placed downstream of the compressor 4.

Le calculateur 8 est programmé de telle façon que:
a) lorsque la pression PB est supérieure à PP
- le compresseur à petit débit 4 est activé.
The computer 8 is programmed in such a way that:
a) when the pressure PB is greater than PP
- the low flow compressor 4 is activated.

b) lorsque la pression PB est inférieure à PP
- le compresseur à petit débit 4 est désactivé.
b) when the pressure PB is less than PP
- the low flow compressor 4 is deactivated.

Le calculateur 11 est programmé de telle façon que
a) lorsque la pression PB est supérieure à PP1
- le compresseur à grand débit 3 est désactivé,
b) lorsque la pression PB est inférieure à PP1
- le compresseur à grand débit 3 est activé, où PP1 est une pression prédéterminée choisie entre 0.200 et 0.400 BAR environ.
The computer 11 is programmed in such a way that
a) when the pressure PB is greater than PP1
- the high-flow compressor 3 is deactivated,
b) when the pressure PB is less than PP1
- the high-flow compressor 3 is activated, where PP1 is a predetermined pressure chosen between approximately 0.200 and 0.400 BAR.

Il est possible de combiner les deux calculateurs 8 et 11 en un seul calculateur.It is possible to combine the two computers 8 and 11 into a single computer.

Il est également avantageux de concevoir un automatisme pneumatique permettant de désactiver le compresseur à grand débit 3 lorsque la pression PB est supérieure à une valeur prédéterminée PP2 comprise par exemple entre 0.200 et 0.400 BAR. Un circuit 13 comprenant une capsule anémométrique 14 pousse la bille 15 sur son siège lorsque la pression PB est inférieure à la pression PP2. Un ressort 16 permet de calibrer la pression à laquelle la bille 15 obture le circuit 13.It is also advantageous to design a pneumatic automation enabling the high-flow compressor 3 to be deactivated when the pressure PB is greater than a predetermined value PP2 of for example between 0.200 and 0.400 BAR. A circuit 13 comprising an airspeed capsule 14 pushes the ball 15 on its seat when the pressure PB is lower than the pressure PP2. A spring 16 makes it possible to calibrate the pressure at which the ball 15 closes the circuit 13.

Cette logique est impérative pour que le système fonctionne correctement.This logic is imperative for the system to function properly.

En effet, lorsque la pression dans le circuit est trop importante les efforts demandés au compresseur 3 sont trop importants et pourraient l'endommager fortement. Pour palier à cet inconvénient il faudrait augmenter dans des proportions inacceptables la masse, l'encombrement et la consommation de ce compresseur. D'autre part, lorsque la pression dans le circuit PB est inférieure à la pression requise PP alors il est impératif de désactiver le compresseur 4 afin que la pression dans le circuit ne soit pas trop basse et que le système ne consomme pas d'énergie électrique inutilement. In fact, when the pressure in the circuit is too great, the forces required of the compressor 3 are too great and could damage it considerably. To overcome this drawback, the mass, size and consumption of this compressor should be increased in unacceptable proportions. On the other hand, when the pressure in the circuit PB is lower than the required pressure PP then it is imperative to deactivate the compressor 4 so that the pressure in the circuit is not too low and the system does not consume energy unnecessarily electric.

Lorsque la pression PB est proche de PP il est possible de concevoir des modes transitoires limités dans le temps où les deux compresseurs 3 et 4 fonctionnent en même temps.When the pressure PB is close to PP it is possible to design transient modes limited in time when the two compressors 3 and 4 operate at the same time.

Il est possible d'entraîner les deux compresseurs 3 et 4 et même le ventilateur 6 par le même moteur électrique de façon que l'on puisse, en modifiant l'énergie électrique fournie au moteur, modifier de façon cohérente et optimale la puissance mécanique fourni au compresseur 3, au compresseur 4 et au ventilateur 6.It is possible to drive the two compressors 3 and 4 and even the fan 6 by the same electric motor so that one can, by modifying the electric energy supplied to the motor, modify in a coherent and optimal way the mechanical power supplied compressor 3, compressor 4 and fan 6.

Il est possible de désactiver un compresseur en:
- réduisant l'énergie électrique fournie au moteur du compresseur
- ou en ouvrant un circuit bipassant le compresseur
- ou en modifiant le cycle d'aide à l'ouverture et à la fermeture des
soupapes du compresseur.
It is possible to deactivate a compressor by:
- reducing the electrical energy supplied to the compressor motor
- or by opening a circuit bypassing the compressor
- or by modifying the assistance cycle for opening and closing the
compressor valves.

Afin, non pas de commander, mais d'aider les soupapes du compresseur a s'ouvrir au bon moment il est possible de concevoir des soupapes 12 qui s'ouvriraient naturellement au passage du fluide dans le sens désiré mais qui seraient aidées électromagnetiquement à des moments bien précis pré déterminés à l'avance en fonction de la position en rotation du moteur du compresseur.In order, not to control, but to help the compressor valves to open at the right time, it is possible to design valves 12 which would open naturally to the passage of the fluid in the desired direction but which would be assisted electromagnetically to very precise moments pre determined in advance according to the rotational position of the compressor motor.

La figure 3 montre un exemple de séquence d'aide à l'ouverture d'une soupape d'admission du compresseur. Dans cet exemple de réalisation l'aide à l'ouverture de la soupape d'admission est activée entre les points
AA et BB des cycles. Un cycle étant représenté par la distance O-DD et un demi cycle étant représenté par O-CC.
FIG. 3 shows an example of a sequence of assistance in opening a compressor intake valve. In this exemplary embodiment, the aid for opening the intake valve is activated between the points
AA and BB cycles. A cycle being represented by the distance O-DD and a half cycle being represented by O-CC.

Afin de désactiver le compresseur à grand débit 3, il est avantageux de décaler la séquence d'aide à l'ouverture de la soupape d'admission par exemple en activant le champ électromagnétique entre EE et FF du cycle
O-DD correspondant à une rotation du rotor du compresseur grand débit 3.
In order to deactivate the high-flow compressor 3, it is advantageous to shift the assistance sequence for opening the intake valve for example by activating the electromagnetic field between EE and FF of the cycle
O-DD corresponding to a rotation of the rotor of the high flow compressor 3.

Le lecteur comprendra que le principe énoncé peut être utilisé de façon similaire afin d'aider les soupapes d'admission à la fermeture et/ou les soupapes d'échappement à l'ouverture et/ou la fermeture.The reader will understand that the stated principle can be used in a similar manner to assist the intake valves on closing and / or the exhaust valves on opening and / or closing.

Cette invention s'applique très bien à la conception du système de réfrigération portable lorsque le sujet a chaud, et en général partout ou il est nécessaire de créer du froid là où on en a besoin sans avoir à la transférer par un système supplémentaire. This invention applies very well to the design of the portable refrigeration system when the subject is hot, and in general wherever it is necessary to create cold where it is needed without having to transfer it by an additional system.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1) Système de refroidissement comprenant un circuit primaire, en boucle1) Cooling system comprising a primary circuit, in a loop fermée, où circule un fluide, comprenant au moins: closed, where a fluid circulates, comprising at least: - un évaporateur (1), - an evaporator (1), - une restriction de débit (2), - a flow restriction (2), - un compresseur à grand débit (3), - a high flow compressor (3), - un condenseur (5), caractérisé - a condenser (5), characterized - en ce que le fluide placé dans le circuit est principalement de l'eau,  - in that the fluid placed in the circuit is mainly water, - en ce que un circuit secondaire, en boucle ouverte, entraîne la vapeur du - in that a secondary circuit, in open loop, causes the vapor of the condenseur à l'extérieur du circuit, dans l'atmosphère ambiante, comprenant condenser outside the circuit, in the ambient atmosphere, comprising au moins un compresseur à petit débit (4), at least one small flow compressor (4), - en ce que un moyen (8) pilote le dit compresseur à petit débit (4) suivant une - in that a means (8) controls said low-flow compressor (4) according to a fonction pré définie de la pression PB régnant dans le condenseur (5). pre-defined function of the pressure PB prevailing in the condenser (5). 2) Système de refroidissement suivant la revendication 1 caractérisé en ce que2) Cooling system according to claim 1 characterized in that le dit moyen (8) est tel que le dit compresseur à faible débit (4) est activé said means (8) is such that said low flow compressor (4) is activated lorsque la pression PB est supérieure à une pression pré définie comprise when the pressure PB is greater than a pre-defined pressure included entre 0,200 BAR et 0,300 BAR et est désactivé lorsque la pression PB est between 0.200 BAR and 0.300 BAR and is deactivated when the PB pressure is inférieure à une pression pré définie comprise entre 0,200 et 0,300 BAR. lower than a pre-defined pressure between 0.200 and 0.300 BAR. 3) Système de refroidissement suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en3) cooling system according to claims 1 and 2 characterized in ce que un moyen (11) désactive le compresseur à grand débit (3) lorsque la that a means (11) deactivates the high-flow compressor (3) when the pression PB est supérieure à une pression prédéterminée comprise entre pressure PB is greater than a predetermined pressure between 0,200 ct 0,300 BAR. 0.200 ct 0.300 BAR. 4) Système de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications 1, 24) Cooling system according to any one of claims 1, 2 ou 3 caractérisé cn ce que une soupape anti-retour (10) est placée cn aval du or 3 characterized in that a non-return valve (10) is placed downstream of the compresseur à petit débit (4).  small flow compressor (4). 5) Système de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications 1,5) cooling system according to any one of claims 1, 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que le compresseur à grand débit (3) comprend 2, 3 or 4 characterized in that the high flow compressor (3) comprises au moins une soupape aidée dans son mouvement par l'existence d'un at least one valve helped in its movement by the existence of a champ magnétique variable en fonction de la position angulaire du rotor du variable magnetic field depending on the angular position of the rotor of the compresseur.  compressor.
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