FR3101137A1 - Unité de conditionnement d’air pour aéronef - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une unité de conditionnement d’air (1) pour aéronef, comprenant un circuit d’air (10) avec une entrée (110) d’air et une sortie (120) d’air, au moins un circuit de refroidissement en boucle fermée dit « positif » (20), comprenant un échangeur de chaleur (210), dans lequel circule un fluide caloporteur, disposé entre ladite entrée (110) d’air et ladite sortie (120) d’air et étant adapté pour fonctionner uniquement à une température interne supérieure ou égale à une température dite « anti-givre » prédéterminée, à laquelle la formation de givre sur ledit échangeur de chaleur est évitée, au moins un circuit de refroidissement en boucle fermée dit « négatif » (30), fluidiquement indépendant de l’au moins un circuit de refroidissement positif (20), comprenant un échangeur de chaleur (310), dans lequel circule un fluide caloporteur, disposé entre l’au moins un circuit de refroidissement positif (20) et la sortie (120) d’air et qui est adapté pour fonctionner à une température interne négative, et au moins un ventilateur (130) afin de générer un flux d’air dans le circuit d’air. Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
L’invention concerne le conditionnement d’air et plus particulièrement une unité de conditionnement d’air pour aéronef.
L’invention vise en particulier à fournir une unité de conditionnement d’air qui soit à la fois fiable, compacte et efficace et empêchant la formation de givre lors de la condensation de l’humidité de l’air à refroidir.
Dans une zone aéroportuaire, lorsqu’un aéronef est stationné entre deux rotations, il est connu de le raccorder à une unité de conditionnement d’air mobile à l’aide d’une gaine flexible afin de refroidir l’air de la cabine.
De manière connue, une unité de conditionnement d’air, connue de l’homme du métier sous le nom d’ACU (Air Conditioning Unit en langue anglaise), comprend un conduit, qui aspire l’air ambiant, et un circuit frigorifique en boucle fermée comportant un évaporateur échangeur de chaleur monté dans ledit conduit et comprenant un ensemble de tuyaux à travers lesquels circule un fluide frigorigène permettant de refroidir l’air aspiré lors de son passage entre lesdits tuyaux. Le circuit frigorifique comporte, outre l’évaporateur, un compresseur, un condenseur, une bouteille de stockage de liquide frigorigène et un détendeur en entrée de l’évaporateur.
En fonctionnement de l’unité de conditionnement d’air, l’air de l’atmosphère pénètre tout d’abord par l’entrée du conduit et traverse l’évaporateur entre les tuyaux. Lors de ce passage, un échange de chaleur est réalisé entre un fluide frigorigène circulant dans les tuyaux de l’évaporateur et l’air aspiré. Plus précisément, la température de l’air aspiré étant plus élevée que celle du fluide frigorigène, l’air aspiré fournit des calories au fluide frigorigène, qui circule dans l’échangeur, de sorte que la température de l’air diminue tandis que le fluide frigorigène s’évapore. Lors de cet échange de chaleur, le fluide frigorigène s'évapore sous forme de vapeur en sortie de l’évaporateur puis est aspiré à l’état gazeux par le compresseur qui le comprime avant d’être acheminé jusqu’au condenseur. Le condenseur permet d’abaisser la température du fluide frigorigène en le transformant de l’état gazeux à l’état liquide. Le fluide frigorigène est alors stocké sous forme liquide dans la bouteille avant d’être détendu puis injecté de nouveau dans les tuyaux de l’évaporateur. L’air refroidi lors de son passage entre les tuyaux de l’évaporateur échangeur de chaleur est ensuite acheminé jusqu’au système de climatisation de l’aéronef via la sortie du conduit et une gaine flexible. Ce type d’unité de conditionnement d’air est cependant significativement limité en termes de modulation de puissance et de performance en atmosphère humide.
Afin de palier au moins en partie cet inconvénient, une solution connue d’unité de conditionnement d’air consiste à disposer plusieurs évaporateurs échangeurs de chaleur dans le conduit d’air, ces évaporateurs étant tous reliés en sortie au compresseur. Chaque évaporateur peut être commandé en ouverture ou en fermeture indépendamment des autres via une vanne de détente (ou détendeur) afin d’autoriser ou non la circulation du liquide frigorigène et moduler ainsi la puissance de réfrigération de l’unité de conditionnement d’air. Dans cette solution, le compresseur étant unique, la température d’évaporation des évaporateurs est identique. Afin de limiter la formation de givre, il est nécessaire de maintenir la température d’évaporation proche de 0°C. Toutefois, ce faisant, les performances frigorifiques de l’installation s’avère significativement limitées. A l’inverse, pour maximiser les performances de l’installation, la température d’évaporation négative des évaporateurs génère une prise en glace de la condensation de l’humidité de l’air sur les tuyaux des évaporateurs. Or, une fois formée, cette épaisseur de glace limite notablement les performances frigorifiques de l’évaporateur et donc de l’unité de conditionnement d’air et impliquent des cycles de dégivrage pénalisant la température de la cabine et donc le confort des passagers, ce qui présente des inconvénients importants.
Dans une autre solution, décrite dans la demande internationale de brevet WO 2010/106520 A, l’unité de conditionnement d’air comprend une pluralité de modules frigorifiques en boucle fermée, comportant chacun un évaporateur et un compresseur. Des modules peuvent être ajoutés ou retirés pour ajuster la puissance totale disponible de l’unité de conditionnement d’air. Pour moduler la puissance frigorifique de chacun des modules, chaque compresseur est piloté par un variateur de vitesse. Cependant, ce système présente plusieurs inconvénients importants. Tout d’abord, un tel variateur est constitué d’une multitude de composants électroniques et peut s’avérer particulièrement fragile, et donc peu fiable, tout en étant onéreux, le coût augmentant avec le nombre de compresseurs. Ce type de variateur peut en outre rayonner des ondes électromagnétiques pouvant perturber les équipements électroniques, et déformer le courant d’alimentation. Plus précisément, les harmoniques de courant générées par les variateurs de fréquences sur le réseau d’alimentation consomment de l’énergie, et donc réduisent le rendement, et perturbent les équipements électroniques connectés au réseau d’alimentation électrique ou situés à proximité. En outre, cette solution ne traite pas du problème de la formation de givre sur la surface des échangeurs, ce qui entraine les inconvénients précités. En particulier, dans cette solution de refroidissement en plusieurs étapes, du givre peut se former sur chaque évaporateur, notamment à basses températures. De plus, cette solution à variateur étant significativement volumineuse, elle est particulièrement adaptée pour une installation fixe mais peu adaptée pour une unité de conditionnement d’air mobile pour aéronef.
Il existe donc le besoin d’une solution compacte, fiable et efficace d’unité de conditionnement d’air permettant de remédier au moins en partie à ces inconvénients.
A cette fin, l’invention a tout d’abord pour objet une unité de conditionnement d’air pour aéronef, ladite unité de conditionnement d’air comprenant un circuit d’air avec une entrée d’air et une sortie d’air, ladite unité de conditionnement d’air étant remarquable en ce qu’elle comprend :
- au moins un circuit de refroidissement en boucle fermée dit « positif », comprenant un échangeur de chaleur, dans lequel circule un fluide caloporteur, disposé entre ladite entrée d’air et ladite sortie d’air et étant adapté pour fonctionner uniquement à une température interne supérieure ou égale à une température dite « anti-givre » prédéterminée, à laquelle la formation de givre sur les surfaces externes de l’échangeur de chaleur (notamment les ailettes) est empêchée, de sorte à ne pas réduire la puissance de l’au moins un circuit de refroidissement positif, et
- au moins un circuit de refroidissement en boucle fermée dit « négatif », fluidiquement indépendant de l’au moins un circuit de refroidissement positif, comprenant un échangeur de chaleur, dans lequel circule un fluide caloporteur, disposé entre l’au moins un circuit de refroidissement positif et la sortie d’air et qui est adapté pour fonctionner uniquement à une température interne négative,
- au moins un ventilateur afin de générer un flux d’air dans le circuit d’air.
- au moins un circuit de refroidissement en boucle fermée dit « positif », comprenant un échangeur de chaleur, dans lequel circule un fluide caloporteur, disposé entre ladite entrée d’air et ladite sortie d’air et étant adapté pour fonctionner uniquement à une température interne supérieure ou égale à une température dite « anti-givre » prédéterminée, à laquelle la formation de givre sur les surfaces externes de l’échangeur de chaleur (notamment les ailettes) est empêchée, de sorte à ne pas réduire la puissance de l’au moins un circuit de refroidissement positif, et
- au moins un circuit de refroidissement en boucle fermée dit « négatif », fluidiquement indépendant de l’au moins un circuit de refroidissement positif, comprenant un échangeur de chaleur, dans lequel circule un fluide caloporteur, disposé entre l’au moins un circuit de refroidissement positif et la sortie d’air et qui est adapté pour fonctionner uniquement à une température interne négative,
- au moins un ventilateur afin de générer un flux d’air dans le circuit d’air.
Par les termes « température interne », on entend la température du fluide caloporteur circulant en entrée ou dans l’organe de l’au moins un circuit de refroidissement positif ou négatif et permettant l’échange de chaleur. Par exemple, dans le cas où l’au moins un circuit de refroidissement positif ou négatif comprend un évaporateur, la température interne correspond à la température d’évaporation dudit évaporateur. Par température anti-givre, on entend la température interne de l’échangeur garantissant l’absence de givre sur les ailettes.
L’unité de conditionnement d’air selon l’invention permet avantageusement de refroidir une première fois l’air via l’au moins un circuit de refroidissement positif, tout en empêchant la formation de givre et ainsi toute baisse de puissance de l’unité de conditionnement d’air, avant de réaliser un deuxième refroidissement permettant de fournir de l’air frais à l’aéronef. Plus précisément, l’au moins un circuit de refroidissement positif permet une déshumidification significative de l’air de sorte à limiter notablement, voire empêcher la prise en glace de l’organe d’échange de chaleur de l’au moins un circuit de refroidissement négatif de sorte que la puissance requise par le circuit de refroidissement négatif pour fournir de l’air frais à l’aéronef soit peu importante, évitant ainsi la prise de glace sur l’échangeur de chaleur dudit circuit de refroidissement négatif. Ainsi, les cycles de dégivrage peuvent êtres espacés d'où un gain énergétique et un gain en confort pour les utilisateurs. Avantageusement, l’au moins un circuit de refroidissement positif et/ou l’au moins un circuit de refroidissement négatif sont dépourvus de variateur de vitesse, ce qui permet de simplifier l’architecture de l’unité de conditionnement d’air, notamment en termes de composants électroniques, afin de limiter les problèmes de compatibilité électromagnétique et de rendre l’unité de conditionnement d’air moins fragile et donc fiable, tout en rendant l’unité de conditionnement d’air compacte.
Avantageusement, la température interne du circuit positif (anti-givre) est comprise entre -1°C et 5°C afin d’assurer en surface d’ailettes de l’échangeur de chaleur une température strictement positive, ce qui permet de refroidir significativement le flux d’air une première fois tout en empêchant la formation de givre sur les surfaces externes de l’échangeur de chaleur de l’au moins un circuit de refroidissement positif.
Dans une forme de réalisation préférée, l’unité de conditionnement d’air comprend un unique circuit de refroidissement positif.
Dans une forme de réalisation préférée, l’unité de conditionnement d’air comprend un unique circuit de refroidissement négatif.
Dans une forme de réalisation préférée, l’unité de conditionnement d’air comprend un unique circuit de refroidissement positif et un unique circuit de refroidissement négatif. Une telle rationalisation permet tout d’abord de réduire le coût de l’unité de conditionnement d’air. Une telle rationalisation permet ensuite de réduire la taille de l’unité de conditionnement d’air afin de la rendre aisément mobile, par exemple en la mettant en œuvre sous la forme d’une remorque. Une telle rationalisation permet également de limiter la charge en fluide caloporteur, ce qui est bénéfique pour l’environnement.
Dans une première forme de réalisation, l’échangeur de chaleur de l’au moins un circuit de refroidissement positif et/ou de l’au moins un circuit de refroidissement négatif comprend un unique circuit interne.
Dans une deuxième forme de réalisation, l’échangeur de chaleur de l’au moins un circuit de refroidissement positif et/ou de l’au moins un circuit de refroidissement négatif comprend une pluralité de circuits internes pour le fluide caloporteur, disposés en parallèle sur le flux d’air afin de garantir une grande modularité de puissance de refroidissement en fonction des conditions météorologiques et des volumes d’habitacles des aéronefs à refroidir. Une telle modularité au niveau des échangeurs de chaleur permet notamment de limiter le nombre de circuits de refroidissement pour moduler la puissance de refroidissement de l’unité.
De manière préférée, l’échangeur de l’au moins un circuit de refroidissement positif et/ou négatif comprend une pluralité de circuits internes. De préférence, au moins l’un des circuits internes comprend une vanne d’alimentation, de préférence de type tout ou rien, de préférence à commande électrique, afin d’assurer la fonctionnalité sur une large plage de puissance (entre 25% et 100%).
De préférence, chaque circuit interne comprend une vanne d’alimentation, de préférence de type tout ou rien, de préférence à commande électrique, ou bien tous les circuits internes sauf un ou deux comprennent chacun une vanne d’alimentation, afin de moduler la puissance de l’unité de conditionnement d’air sur une plage très large (entre 25 et 100 %).
Dans une première forme de réalisation, l’au moins un circuit de refroidissement positif et/ou négatif est un circuit frigorifique et le fluide caloporteur est un fluide frigorigène. Un circuit frigorifique fonctionne avec un fluide frigorigène qui subit des changements de phase lorsqu’il circule dans ledit circuit frigorifique.
De préférence, le fluide frigorigène est de type R513A, alternative au fluide R134a, avec des propriétés thermodynamiques très proches, ayant un coefficient d’émission de gaz à effet de serre plus faible, une classe d’inflammabilité faible (idem R134a), un coût plus faible.
Selon une caractéristique de l’invention, l’échangeur de chaleur de l’au moins un circuit frigorifique positif et/ou de l’au moins un circuit frigorifique négatif est un évaporateur.
Selon un aspect de l’invention, l’au moins un circuit frigorifique positif et/ou l’au moins un circuit frigorifique négatif comprend au moins un détendeur, de préférence un unique détendeur.
Avantageusement, l’au moins un détendeur est placé en entrée de l’évaporateur de chaleur.
Selon un aspect de l’invention, l’au moins un circuit frigorifique positif comprend au moins un compresseur, de préférence un unique compresseur, relié à la sortie d’échangeur de chaleur.
Selon un aspect de l’invention, l’au moins un circuit frigorifique positif comprend au moins un condenseur, de préférence un unique condenseur, relié à la sortie du compresseur.
Selon un aspect de l’invention, l’au moins un circuit frigorifique positif comprend au moins une bouteille de stockage de fluide frigorigène sous forme liquide, reliée à la sortie du condenseur.
Selon un aspect de l’invention, l’au moins un circuit frigorifique négatif comprend au moins un compresseur, de préférence un unique compresseur, relié à la sortie d’échangeur de chaleur.
Selon un aspect de l’invention, l’au moins un circuit frigorifique négatif comprend au moins un condenseur, de préférence un unique condenseur, relié à la sortie du compresseur.
Selon un aspect de l’invention, l’au moins un circuit frigorifique négatif comprend au moins une bouteille de stockage de fluide frigorigène sous forme liquide, reliée à la sortie du condenseur.
Le ou les compresseurs de l’au moins un circuit frigorifique positif travaillent dans un intervalle de pression plus faible que le ou les compresseurs de l’au moins un circuit frigorifique négatif, ce qui réduit l’importance des contraintes sur l’au moins un circuit frigorifique positif et prolonge ainsi sa durée de vie. De plus, dans une telle configuration, il est possible de démarrer en cascade l’au moins un compresseur de l’au moins un circuit frigorifique positif et l’au moins un compresseur de l’au moins un circuit frigorifique négatif, ce qui permet de limiter la consommation de courant électrique pour réaliser le démarrage de tous les compresseurs.
Dans une deuxième forme de réalisation, l’au moins un circuit de refroidissement positif et/ou négatif est un circuit de refroidissement liquide et le fluide caloporteur à température positive est un liquide tel que, par exemple, de l’eau ou un mélange d’eau et d’additif(s) tel que du glycol, un tel échangeur étant peu complexe et peu onéreux. Dans ce cas, le liquide ne subit pas de changement de phase lorsqu’il circule dans le circuit de refroidissement.
Dans ce cas, de préférence, l’au moins un circuit de refroidissement positif et/ou négatif est dépourvu de détendeur en entrée de l’échangeur et une pompe module le débit du liquide de refroidissement.
Dans une forme de réalisation préférée de l’unité de conditionnement d’air, l’au moins un circuit de refroidissement positif est un circuit frigorifique et l’au moins un circuit de refroidissement négatif est également un circuit frigorifique. Par exemple, l’unité de conditionnement d’air comprend un unique circuit frigorifique positif et un unique circuit frigorifique négatif.
En variante, l’au moins un circuit de refroidissement positif est un circuit de refroidissement liquide et l’au moins un circuit de refroidissement négatif est un circuit frigorifique. Par exemple, l’unité de conditionnement d’air comprend un unique circuit de refroidissement liquide positif et un unique circuit frigorifique négatif.
En variante encore, l’au moins un circuit de refroidissement positif est un circuit frigorifique et l’au moins un circuit de refroidissement négatif est un circuit de refroidissement liquide. Par exemple, l’unité de conditionnement d’air comprend un unique circuit frigorifique positif et un unique circuit de refroidissement liquide négatif.
En variante encore, l’au moins un circuit de refroidissement positif est un circuit de refroidissement liquide et l’au moins un circuit de refroidissement négatif est un circuit de refroidissement liquide. Par exemple, l’unité de conditionnement d’air comprend un unique circuit de refroidissement liquide positif et un unique circuit de refroidissement liquide négatif.
Dans une forme de réalisation préférée de l’unité de conditionnement d’air, l’au moins un circuit de refroidissement positif est un circuit frigorifique dont l’évaporateur comprend plusieurs circuits internes. Par exemple, l’unité de conditionnement d’air comprend un unique circuit frigorifique positif comprenant plusieurs circuits internes.
De manière générale, on notera que :
l’unité de conditionnement d’air peut comprendre un ou plusieurs circuits de refroidissement positifs et un ou plusieurs circuits de refroidissement négatifs,
ce ou ces circuits de refroidissement positifs peuvent être un/des circuits frigorifiques et/ou un/des circuits de refroidissement liquide, de même que ce ou ces circuits de refroidissement négatifs peuvent être un/des circuits frigorifiques et/ou un/des circuits de refroidissement liquide,
ce ou ces circuits de refroidissement positifs peuvent comprendre un unique circuit interne et/ou une pluralité de circuits internes, de même que ce ou ces circuits de refroidissement négatifs peuvent comprendre un unique circuit interne ou/et une pluralité de circuits internes.
Avantageusement, la température interne de l’au moins un circuit de refroidissement négatif est inférieure à la température anti-givre. Lorsque l’au moins un circuit de refroidissement négatif comprend un évaporateur, la température d’évaporation dudit évaporateur est inférieure à la température anti-givre.
De préférence, la température interne de l’au moins un circuit de refroidissement négatif est inférieure à - 3°C. Lorsque l’au moins un circuit de refroidissement négatif comprend un évaporateur, la température d’évaporation dudit évaporateur est inférieure à - 3°C.
Avantageusement, le ventilateur est de type ventilateur centrifuge afin que le flux d’air généré soit suffisamment important.
De préférence, le ventilateur est disposé entre l’entrée d’air et l’au moins un circuit de refroidissement positif.
Le positionnement du ventilateur en amont de l’au moins un circuit de refroidissement positif permet d’améliorer l’efficacité énergétique de la machine. Notablement, dans la demande internationale de brevet WO 2010/106520 A, le ventilateur est positionné entre l’échangeur de chaleur de la première boucle et l’échangeur de chaleur de la deuxième boucle, ce qui peut augmenter la prise en glace de l’échangeur de chaleur de la deuxième boucle, réduisant ainsi l’efficacité de l’unité tout en en augmentant la consommation énergétique.
Avantageusement, l’unité de conditionnement d’air comprend un module de pilotage dudit ventilateur.
De préférence, l’unité de conditionnement d’air comprend un capteur de mesure de débit d’air disposé dans le circuit d’air permettant notamment le pilotage du ventilateur centrifuge.
De préférence encore, l’unité de conditionnement d’air comprend un capteur de mesure de pression disposé dans le circuit d’air, de préférence en sortie, pour s’assurer que l’on ne dépasse pas la limite de pression acceptée par l’avion, évitant tout risque de surpression dans l’avion. Les capteurs de mesure de débit et de pression d’air permettent le pilotage du ventilateur centrifuge et garantissent un flux d’air maximal (caractéristiques débit-pression) tout en garantissant la compatibilité avec les caractéristiques des aéronefs.
Avantageusement encore, le capteur de mesure de débit d’air est une sonde Pitot, de préférence placée en aval du ventilateur, pour s’assurer que la limite de débit d’air acceptée par l’avion n’est pas atteinte lors d’une climatisation par l’unité de conditionnement d’air.
De manière préférée, l’unité de conditionnement d’air est mobile. Par exemple, l’unité de conditionnement d’air est montée sur roues. De préférence, l’unité de conditionnement d’air comprend un timon muni d’un anneau permettant de relier l’unité de conditionnement d’air à un véhicule afin de la tracter. L’unité de conditionnement d’air peut également être montée dans un véhicule.
De préférence, l’unité de conditionnement d’air est autonome et comprend par exemple une batterie électrique ou un générateur autonome (groupe électrogène, batterie ou pile à combustible).
De manière avantageuse, l’unité de conditionnement d’air est apte à être alimentée par un générateur externe, par exemple un générateur électrogène thermique, une batterie électrique, une pile à combustible, ou un réseau électrique etc.
En variante, l’unité de conditionnement d’air est stationnaire ou fixe.
Avantageusement, l’unité de conditionnement d’air comprend un module d’alimentation ou est apte à être connectée à un réseau électrique, notamment domestique.
Avantageusement encore, l’unité de conditionnement d’air comprend un module de chauffage placé dans le circuit d’air, par exemple en sortie du circuit d’air, adapté pour réchauffer l’air circulant dans ledit circuit d’air afin de fournir de l’air chaud à l’aéronef, notamment l’hiver.
Dans une forme de réalisation, l’au moins un circuit de refroidissement négatif comprend un module de mesure de température comprenant au moins un capteur de température de la surface des ailettes et étant apte à mesurer la dérive d’efficacité de l’échangeur dudit au moins un circuit de refroidissement négatif relative à la formation de givre sur lesdites ailettes afin d’optimiser les cycles de dégivrage dudit au moins un circuit de refroidissement négatif.
L’invention concerne également un procédé de climatisation d’un aéronef, mis en œuvre par une unité de conditionnement d’air telle que présentée précédemment, reliée audit aéronef, par exemple par une gaine flexible, ledit procédé comprenant les étapes d’aspiration du flux d’air par le ventilateur en entrée du circuit d’air, de refroidissement du flux d’air par l’au moins un circuit de refroidissement positif à une température supérieure ou égale à la température anti-givre, de refroidissement du flux d’air refroidi par l’au moins circuit de refroidissement négatif de manière à fournir un flux d’air à débit réglable dont la température réglable peut descendre jusqu’à -20°C, et d’acheminement du flux d’air refroidi jusqu’à l’aéronef afin d’en climatiser la cabine.
Dans le cas où l’au moins un circuit de refroidissement positif ou négatif comprend un évaporateur à plusieurs circuits internes et des vannes tout ou rien, le procédé comprend avantageusement une étape de modulation de puissance dudit évaporateur par sélection des circuits internes en ouvrant ou en fermant certaines des vannes d’alimentation.
Avantageusement, le procédé comprend une étape de mesure de pression du fluide caloporteur entre la sortie de l’évaporateur et le compresseur afin de détecter une dérive de puissance dudit évaporateur.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
: la figure 1 illustre schématiquement une première forme de réalisation de l’unité de conditionnement d’air selon l’invention.
: la figure 2 illustre schématiquement une deuxième forme de réalisation de l’unité de conditionnement d’air selon l’invention.
: la figure 3 illustre schématiquement un mode de mise en œuvre de l’unité de conditionnement d’air selon l’invention.
L’unité de conditionnement d’air selon invention est notamment destinée à permettre le conditionnement d’air d’un aéronef, tel qu’un avion, au sol dans une zone aéroportuaire. A cette fin, l’unité de conditionnement d’air comprend un circuit d’air, un ou plusieurs circuits de refroidissement dit « positifs » et un ou plusieurs circuits de refroidissement dit « négatifs », fluidiquement indépendant(s) du ou des circuits de refroidissement positifs.
On a représenté à la figure 1 une première forme de réalisation de l’unité de conditionnement d’air 1 selon l’invention et à la figure 2 une deuxième forme de réalisation de l’unité de conditionnement d’air 1 selon l’invention.
Unité de conditionnement d’air 1
Dans ces deux exemples, l’unité de conditionnement d’air 1 comprend un circuit d’air 10, un unique circuit de refroidissement dit « positif » 20 et un unique circuit de refroidissement dit « négatif » 30, fluidiquement indépendant du circuit de refroidissement positif 10. En variante, comme précisé ci-avant, l’unité de conditionnement d’air 1 pourrait comprendre plus d’un circuit de refroidissement positif 20 et/ou plus d’un circuit de refroidissement négatif 30.
Circuit d’air 10
Le circuit d’air 10 se présente sous la forme d’un conduit 10A comprenant une entrée 110 d’air et une sortie 120 d’air. Dans cet exemple, le circuit d’air 10 comprend en outre un ventilateur 130 et un module de chauffage 140 montés dans le conduit 10A.
Le ventilateur 130, de préférence un ventilateur centrifuge, est positionné entre l’entrée 110 et le circuit de refroidissement positif 20 et est apte à générer un flux d’air entre l’entrée 110 et la sortie 120. Dans cet exemple, le module de chauffage 140 est positionné avant la sortie 120 et est apte à chauffer l’air circulant dans le conduit 10A dans le cas où il est nécessaire de fournir de l’air chaud à la cabine de l’aéronef, par exemple en hiver lorsque les températures extérieures sont significativement basses. Dans une autre forme de réalisation, le module de chauffage 140 pourrait être positionné à un autre endroit du circuit d’air 10.
Circuit de refroidissement positif 20
Dans l’exemple illustré à la figure 1, le circuit de refroidissement positif 20 est un circuit frigorifique comprenant un échangeur de chaleur. Cet échangeur de chaleur se présente sous la forme d’un évaporateur 210. Dans une autre forme de réalisation, le circuit de refroidissement positif 20 pourrait être un circuit de refroidissement liquide comprenant un échangeur air-liquide, dans lequel circule un liquide caloporteur à température positive, par exemple de l’eau froide glycolée dont la température est légèrement positive dans une boucle d’eau froide (ou toute autre liquide adapté).
Le circuit de refroidissement positif 20 comprend en outre un compresseur 220, un condenseur 230, une bouteille 240 de stockage de fluide frigorigène sous forme liquide et un détendeur 250. Le circuit de refroidissement positif 20 est un circuit fermé permettant de refroidir l’air entrant dans le circuit d’air 10 en abaissant sa température, de préférence jusqu’à une valeur comprise entre 5 à 16°C, tout en empêchant la formation de givre sur la surface externe des organes de l’évaporateur 210 situés dans le circuit d’air 10. Dans le cas d’un circuit de refroidissement liquide à échangeur air-liquide, le circuit est de préférence dépourvu de détendeur en entrée dudit échangeur.
Dans ces exemples, l’évaporateur 210 est monté dans le conduit 10A, entre le ventilateur 130 et l’évaporateur 310 du circuit de refroidissement négatif 30.
Dans la première forme de réalisation (figure 1) l’évaporateur 210 comprend un unique circuit interne comportant un ensemble de tuyaux et d’ailettes définissant un canal dans lequel circule, entre l’entrée 210A et la sortie 210B de l’évaporateur 210, un fluide frigorigène (ou réfrigérant) sous forme bi-phasique (en mélange liquide-vapeur en entrée et en vapeur surchauffée en sortie). L’évaporateur 210 permet un échange de calories entre l’air, circulant dans le conduit 10A entre l’entrée 110 d’air et la sortie 120 d’air et venant au contact de la surface externe de l’ensemble de tuyaux et d’ailettes, et le fluide frigorigène circulant à l’intérieur dudit ensemble de tuyaux et d’ailettes.
L’évaporateur 210 permet également, outre les échanges de chaleur, de transformer par évaporation le fluide frigorigène, entrant dans ledit évaporateur 210 sous forme majoritairement liquide via l’entrée 210A de l’évaporateur 210, en gaz frigorigène à la sortie 210B de l’évaporateur 210 lors de l’échange de chaleur avec l’air circulant dans le conduit 10A, entre les tuyaux et ailettes de l’évaporateur 210.
Dans la deuxième forme de réalisation illustrée à la figure 2, l’évaporateur 210 comprend une pluralité de circuits internes (évaporateur dit « multi-circuits »), c’est-à-dire plusieurs chemins internes à travers des tuyaux séparés pour le fluide frigorigène, afin d’élargir la plage de puissance frigorifique de l’unité de conditionnement d’air 1, sans que cela ne soit limitatif de la portée de la présente invention. Dans ce cas, de préférence, chaque circuit interne de l’évaporateur 210 comprend en entrée une vanne d’alimentation 210C de type tout ou rien à commande électrique permettant, de manière binaire, de condamner ou d’aliment ledit circuit interne en étant commandée de manière indépendante des autres vannes d’alimentation 210C des autres circuits internes dudit évaporateur 210.
Selon l’invention, la température interne d’évaporation de l’évaporateur 210 est supérieure ou égale à -1°C afin de permettre un refroidissement du flux d’air circulant dans le conduit d’air, de préférence jusqu’à une valeur comprise entre 5 à 16 °C, tout en empêchant la formation de givre sur la surface externe des tuyaux et ailettes de l’évaporateur 210.
Le fluide frigorigène est acheminé de la sortie 210B de l’évaporateur 210 vers le compresseur 220. Le compresseur 220 permet de compresser le fluide frigorigène en phase vapeur afin de fournir de la vapeur haute pression au condenseur 230 afin que ledit fluide frigorigène se condense efficacement. Dans une autre forme de réalisation, le circuit de refroidissement positif 20 pourrait comprendre plusieurs compresseurs 220.
Le condenseur 230 permet de condenser le fluide frigorigène compressé afin de le liquéfier, la partie liquide étant alors stockée dans la bouteille 240 pour être ensuite acheminé de nouveau vers l’entrée 210A de l’évaporateur 210 via le détendeur 250 qui permet le contrôle du flux de fluide frigorigène entrant dans ledit évaporateur 210. Le condenseur 230 peut bénéficier d’une ventilation indépendante, commandée par exemple par un variateur de vitesse, permettant de faire fonctionner chacun le circuit de refroidissement positif 20 dans des conditions optimales.
La bouteille 240 permet de stocker le fluide frigorigène sous forme liquide avant de l’acheminer vers l’évaporateur 210.
Dans les formes de réalisation illustrées sur les figures 1 et 2, le circuit de refroidissement positif 20 (frigorifique) comprend un unique détendeur 250 placé avant l’entrée 210A de l’évaporateur 210. Ainsi, dans le cas où l’évaporateur 210 comprend plusieurs circuits internes (figure 2), l’unique détendeur 250 est positionné de sorte à relier chacune des vannes d’alimentation 210C placées en entrée des circuits internes. De préférence, le détendeur 250 est électronique ou thermostatique.
Le débit du fluide frigorigène dans l’évaporateur 210 peut avantageusement être contrôlé à partir d’un capteur de pression d’évaporation et d’un capteur de température (non représentés) situés entre l’évaporateur 210 et le compresseur 220.
La modulation de capacité frigorifique du circuit de refroidissement positif 20 peut, par exemple, être réalisée par l’enclenchement ou l’arrêt du circuit de refroidissement positif 20 ou bien, dans le cas d’un compresseur 220 à vis, par un système de tiroir permettant d’adapter le volume balayé ou bien, dans le cas d’un compresseur 220 multi-pistons, par commande tout ou rien des cylindres, et/ou par modulation du volume balayé d’un ou plusieurs cylindres par alimentation périodique d’électrovannes, ou bien encore, dans le cas d’un compresseur de type « Scroll », par un mécanisme de régulation du volume balayé.
Circuit de refroidissement négatif 30
Dans l’exemple illustré à la figure 1, le circuit de refroidissement négatif 30 est un circuit frigorifique comprenant un échangeur de chaleur. Cet échangeur de chaleur se présente sous la forme d’un évaporateur 310. Dans une autre forme de réalisation, le circuit de refroidissement négatif 30 pourrait être un circuit de refroidissement liquide comprenant un échangeur air-liquide, dans lequel circule un liquide caloporteur à température positive, par exemple de l’eau froide glycolée dont la température est légèrement positive dans une boucle d’eau froide (ou toute autre liquide adapté).
Le circuit de refroidissement négatif 30 comprend en outre un compresseur 320, un condenseur 330, une bouteille 340 de stockage de fluide frigorigène sous forme liquide et un détendeur 350. La température interne d’évaporation de l’évaporateur 310 est négative, de préférence inférieure -3°C, afin de permettre le refroidissement de la cabine de l’aéronef. Dans le cas d’un circuit de refroidissement liquide à échangeur air-liquide, le circuit est de préférence dépourvu de détendeur en entrée dudit échangeur.
Dans ces exemples, l’évaporateur 310 est monté dans le conduit 10A, entre l’évaporateur 210 du circuit de refroidissement positif 20 et la sortie 120 du circuit d’air 10.
Dans la première forme de réalisation (figure 1), l’évaporateur 310 comprend un unique circuit interne comportant un ensemble de tuyaux et d’ailettes (non représentés) définissant un canal dans lequel circule un fluide frigorigène (ou réfrigérant) entre l’entrée 310A et la sortie 310B de l’évaporateur 310. L’évaporateur 310 permet un échange de calories entre l’air circulant dans le conduit 10A, entre l’entrée 110 d’air et la sortie 120 d’air, et venant au contact de la surface externe de l’ensemble de tuyaux et d’ailettes et un fluide frigorigène circulant à l’intérieur dudit ensemble de tuyaux et d’ailettes.
L’évaporateur 310 permet également, outre les échanges de chaleur, de transformer par évaporation le fluide frigorigène, entrant dans ledit évaporateur 310 sous forme majoritairement liquide via l’entrée 310A, en gaz frigorigène à la sortie 310B de l’évaporateur 310 lors de l’échange de chaleur avec l’air circulant dans le conduit 10A, entre les tuyaux et ailettes de l’évaporateur 310.
Dans la deuxième forme de réalisation illustrée à la figure 2, l’évaporateur 310 du circuit de refroidissement négatif 30 comprend une pluralité de circuits internes, c’est-à-dire plusieurs chemins internes à travers des tuyaux séparés pour le fluide frigorigène, afin d’élargir la plage de puissance frigorifique de l’unité de conditionnement d’air 1, sans que cela ne soit limitatif de la portée de la présente invention. Dans ce cas, de préférence, chaque circuit interne de l’évaporateur 310 comprend en entrée une vanne d’alimentation 310C tout ou rien à commande électrique permettant, de manière binaire, de condamner ou d’alimenter ledit circuit interne en étant commandée de manière indépendante des autres vannes d’alimentation 310C des autres circuits internes dudit évaporateur 310.
Notamment, lorsqu’un circuit interne du circuit de refroidissement négatif 30 est pris en glace, la vanne d’alimentation 310C peut avantageusement être fermée le temps de dégivrer ledit circuit interne tout en permettant aux autres circuits interne de continuer à fonctionner.
Selon l’invention, la température interne d’évaporation de l’évaporateur 310 est inférieure ou égale à -1°C afin de permettre un refroidissement du flux d’air circulant dans le conduit d’air, de préférence jusqu’à une valeur de température inférieure à 2°C en sortie de l’unité de conditionnement d’air 1, tout empêchant la formation de givre sur la surface externe des tuyaux et ailettes de l’évaporateur 310.
Le liquide frigorigène est acheminé de la sortie 310B de l’évaporateur 310 vers le compresseur 320. Le compresseur 320 permet de compresser l’air afin de fournir du fluide frigorigène compressé au condenseur 330 afin que ledit fluide frigorigène se condense efficacement. Dans une autre forme de réalisation, le circuit de refroidissement négatif 30 pourrait comprendre plusieurs compresseurs 320.
Le condenseur 330 permet de condenser le fluide frigorigène compressé afin de le liquéfier en partie pour en abaisser la température, la partie liquide étant alors stockée dans la bouteille 340 pour être ensuite acheminé de nouveau vers l’entrée 310A de l’évaporateur 310 via le détendeur 350 qui permet le contrôle du flux de fluide frigorigène entrant dans ledit évaporateur 310. Le condenseur 330 peut bénéficier d’une ventilation indépendante, commandée par exemple par un variateur de vitesse, permettant de faire fonctionner chacun le circuit de refroidissement négatif 30 dans des conditions optimales.
La bouteille 340 permet de stocker le fluide frigorigène sous forme liquide avant de l’acheminer vers l’évaporateur 310.
Dans les formes de réalisation illustrées sur les figures 1 et 2, le circuit de refroidissement négatif 30 comprend un unique détendeur 350 placé avant l’entrée 310A de l’évaporateur 310. Ainsi, dans le cas où l’évaporateur 310 comprend plusieurs circuits internes, l’unique détendeur 350 est positionné de sorte à relier chacune des entrées des circuits internes. De préférence, le détendeur 350 est électronique ou thermostatique.
Le débit du fluide frigorigène dans l’évaporateur 310 peut avantageusement être contrôlé à partir d’un capteur de pression d’évaporation et d’un capteur de température (non représentés) situés entre l’évaporateur 310 et le compresseur 320. La modulation de capacité frigorifique du circuit de refroidissement négatif 30 peut, par exemple, être réalisée par l’enclenchement ou l’arrêt du circuit de refroidissement négatif 30 ou bien, dans le cas d’un compresseur 320 à vis, par un système de tiroir permettant d’adapter le volume balayé ou bien, dans le cas d’un compresseur 320 multi-pistons, par commande tout ou rien des cylindres, et/ou par modulation du volume balayé d’un ou plusieurs cylindres par alimentation périodique d’électrovannes, ou bien encore, dans le cas d’un compresseur de type « Scroll », par un mécanisme de régulation du volume balayé.
L’unité de conditionnement d’air 1 comprend en outre un module de contrôle (non illustré) permettant de contrôler les différents éléments, notamment les détendeurs 250, 350, la puissance du ventilateur 130 et la puissance du module de chauffage 140.
De manière avantageuse, l’unité de conditionnement d’air 1 comprend une sonde Pitot, disposée dans le conduit 10A, par exemple au niveau de l’entrée 110 d’air, permettant de mesurer le débit circulant dans ledit conduit 10A, et un capteur de pression afin notamment de permettre au module de contrôle de piloter le ventilateur 130. Ces mesures permettent notamment de piloter le ventilateur 130 au débit maximum accepté par l’aéronef dans la limite de la pression prescrite. Le ventilateur 130 peut être commandé par un variateur de vitesse par un utilisateur, qui peut par exemple sélectionner le type d’aéronef sur une interface homme-machine du module de contrôle, le type d’aéronef étant associé aux valeurs de débit et pression maximales acceptées par ledit aéronef. Ceci permet d’améliorer le refroidissement de l’aéronef dans le cas où la première limite rencontrée n’est pas la pression.
Le ventilateur 130 peut être mis en fonctionnement lorsque le circuit de refroidissement positif 20 et le circuit de refroidissement négatif 30 sont arrêtés afin de ventiler l’intérieur de l’aéronef lors de période tempérée, par exemple à des températures extérieures comprises en 0 et 15°C.
Le module de chauffage 140 peut comprendre un ensemble de résistances électriques placées en aval du dernier évaporateur 310 du dernier circuit de refroidissement négatif 30 afin d’assurer le réchauffage de l’avion, notamment en période hivernale.
On notera que de manière alternative, l’au moins un circuit de refroidissement positif 20 et/ou négatif 30 pourrait également être apte à fonctionner dans un mode de pompe à chaleur (lorsque frigorifique) ou avec du liquide chaud (dans le cas d’un échangeur air-liquide afin de délivrer de l’air chaud.
Mise en œuvre
En fonctionnement de l’unité de conditionnement d’air 1, en référence à la figure 2, l’air extérieur, aspiré par le ventilateur 130, pénètre dans le conduit par l’entrée 110 d’air dans une étape E1. On considère dans cet exemple que la température ambiante de l’air atmosphérique est supérieure à 5°C.
Dans une étape E2, l’air aspiré est refroidi tout d’abord par le circuit de refroidissement positif 20 en étant par exemple abaissé jusqu’à une valeur comprise entre 5 à 16°C, en fonction de ladite température initiale, et l’humidité est évacuée sous forme de condensats.
De préférence, l’alimentation en fluide frigorigène de l’évaporateur 310 du circuit de refroidissement négatif 30 est arrêtée de façon périodique ou suite à une détection de givre ou un calcul permettant d’évaluer l’épaisseur de givre sur les tuyaux et ailettes dudit évaporateur 310 sous l’action de l’air à température positive circulant dans le conduit 10A. Cela fait fondre le givre tout en refroidissant le flux d’air circulant dans le conduit 10A et permet à l’évaporateur 310 de retrouver ses pleines performances. L’évolution de l’épaisseur de givre sur les ailettes peut être déterminée par mesure de l’efficacité de l’échangeur, fonction de la température des ailettes, de la température interne du fluide frigorigène de l’échangeur et de la température d’air en entrée et en sortie de l’échangeur. Ces mesures permettent d’ajuster la séquence de dégivrage : durée de condamnation et d’alimentation du détendeur 350 et/ou des vannes d’alimentation 310C et fréquence de l’alternance.
Une fois que l’air aspiré a été refroidi et déshumidifié par l’évaporateur 210 du circuit de refroidissement positif 20, il est acheminé par le conduit 10A, toujours dans le flux généré par le ventilateur 130, jusqu’à l’évaporateur 310 du circuit de refroidissement négatif 30 qui le refroidit dans une étape E3, par exemple jusqu’à une température pouvant atteindre -20°C.
De manière optionnelle, l’air circulant dans le conduit 10A peut être réchauffé par le module de chauffage 140 si besoin, sans nécessairement utiliser les circuits frigorifiques 20, 30 dans ce mode.
L’air est ensuite acheminé jusqu’à l’aéronef via la sortie 120 d’air et une gaine flexible (non représentée) dans une étape E4 afin de régénérer l’air de la cabine, notamment de le refroidir le cas échéant.
Le réchauffement de l’air dans la gaine peut imposer des températures négatives en sortie de l’unité de conditionnement d’air 1 pour compenser les perditions dans la gaine de distribution connectée à l’avion pouvant être très importantes en environnement chaud. Il est préférable d’atteindre une température proche de 0°C à la connexion de la gaine avec l’aéronef, voire jusqu’à -20°C lorsque l’aéronef dispose d’un mode dit « sub-freeze », connue de l’homme du métier.
L’unité de conditionnement d’air 1 selon l’invention permet d’abaisser la température de l’air en deux étapes : un premier refroidissement empêchant la formation de givre tout en abaissant significativement la température, et un deuxième refroidissement permettant d’obtenir des températures de l’air proches de 0°C, voire négatives, ledit deuxième refroidissement nécessitant une puissance modérée du fait du premier refroidissement réalisé préalablement. L’absence de givre sur le premier évaporateur 210 permet notamment une amélioration du rendement du circuit de refroidissement positif 20 en limitant la perte de puissance de l’unité de conditionnement d’air 1 due au givre, et de réduire significativement le givre sur le circuit de refroidissement négatif 30, l’essentiel de l’humidité de l’air ayant été condensée sur le circuit de refroidissement positif 20 sous forme d’eau et évacuée sous forme de condensat sans atteindre le circuit de refroidissement négatif 30.
Claims (14)
- Unité de conditionnement d’air (1) pour aéronef, ladite unité de conditionnement d’air (1) comprenant un circuit d’air (10) avec une entrée (110) d’air et une sortie (120) d’air, ladite unité de conditionnement d’air (1) étant caractérisée en ce qu’elle comprend :
- au moins un circuit de refroidissement en boucle fermée dit « positif » (20), comprenant un échangeur de chaleur (210), dans lequel circule un fluide caloporteur, disposé entre ladite entrée (110) d’air et ladite sortie (120) d’air et étant adapté pour fonctionner uniquement à une température interne supérieure ou égale à une température dite « anti-givre » prédéterminée, à laquelle la formation de givre sur ledit échangeur de chaleur (210) est évitée,
- au moins un circuit de refroidissement en boucle fermée dit « négatif » (30), fluidiquement indépendant de l’au moins un circuit de refroidissement positif (20), comprenant un échangeur de chaleur (310), dans lequel circule un fluide caloporteur, disposé entre l’au moins un circuit de refroidissement positif (20) et la sortie (120) d’air et qui est adapté pour fonctionner à une température interne négative, et
- au moins un ventilateur (130) afin de générer un flux d’air dans le circuit d’air (10). - Unité de conditionnement d’air (1) selon la revendication 1, dans laquelle la température anti-givre est comprise entre -1°C et 5°C.
- Unité de conditionnement d’air (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un unique circuit de refroidissement positif (20).
- Unité de conditionnement d’air (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un unique circuit de refroidissement négatif (30).
- Unité de conditionnement d’air (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la température interne de l’au moins un circuit de refroidissement négatif (30) est inférieure à la température anti-givre, de préférence inférieure à -3°C.
- Unité de conditionnement d’air (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’échangeur de chaleur de l’au moins un circuit de refroidissement positif (20) est un évaporateur (210).
- Unité de conditionnement d’air (1) selon la revendication précédente, comprenant un unique détendeur (250) disposé en entrée (210A) de l’évaporateur (210).
- Unité de conditionnement d’air (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ventilateur (130) est disposé entre l’entrée (110) d’air et l’au moins un circuit de refroidissement positif (20).
- Unité de conditionnement d’air (1) selon la revendication précédente, comprenant un capteur de mesure de débit d’air disposé dans le circuit d’air (10) et un capteur de mesure de pression disposé dans le circuit d’air (10), de préférence en sortie.
- Unité de conditionnement d’air (1) selon la revendication précédente, dans laquelle le capteur de mesure de débit est une sonde Pitot.
- Unité de conditionnement d’air (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’échangeur (210) de l’au moins un circuit de refroidissement positif (20) et/ou l’échangeur (310) de l’au moins un circuit de refroidissement négatif (30) comprend une pluralité de circuits internes, chaque circuit interne comportant en entrée une vanne d’alimentation (210C, 310C) de type tout ou rien, de préférence à commande électrique.
- Unité de conditionnement d’air (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, lorsque le fluide caloporteur est un fluide frigorigène, ledit fluide frigorigène est de type R513A.
- Unité de conditionnement d’air (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’au moins un circuit de refroidissement négatif (30) comprend un module de mesure de température comprenant au moins un capteur de température de la surface des ailettes et étant apte à mesurer la dérive d’efficacité de l’échangeur (310) dudit au moins un circuit de refroidissement négatif (30) relative à la formation de givre sur lesdites ailettes.
- Procédé de climatisation d’un aéronef, mis en œuvre par une unité de conditionnement d’air (1) selon l’une des revendications précédentes, reliée audit aéronef, ledit procédé comprenant les étapes d’aspiration du flux d’air par le ventilateur (130), de refroidissement du flux d’air par l’au moins un circuit de refroidissement positif (20) à une température supérieure ou égale à la température anti-givre, de refroidissement du flux d’air refroidi par l’au moins un circuit de refroidissement négatif (30), et d’acheminement du flux d’air refroidi jusqu’à l’aéronef.
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- 2020-09-21 WO PCT/EP2020/076302 patent/WO2021053227A1/fr active Application Filing
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