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1. WO2020141279 - METHOD FOR DETERMINING THE LEVEL OF REFRIGERANT CHARGE IN A COOLING CIRCUIT FOR AN AIR-CONDITIONING SYSTEM, MODULE FOR DETECTING LEAKS, AND ASSOCIATED COMPUTER PROGRAM

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ FR ]

METHODE DE DETERMINATION DU NIVEAU DE CHARGE EN FLUIDE REFRIGERANT DANS UN CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT POUR UN SYSTEME DE CLIMATISATION, MODULE DE DÉTECTION DE FUITE, ET

PROGRAMME D'ORDINATEUR ASSOCIÉ

La présente invention concerne une méthode de détermination du niveau de charge en fluide réfrigérant dans un circuit de refroidissement pour un système de climatisation.

Elle concerne également une méthode et un dispositif de détection de fuite sur circuit de refroidissement d’un système de climatisation embarqué.

L’invention s’applique en particulier aux véhicules de transport de passagers équipés d’un système de climatisation, notamment des véhicules ferroviaires ou d’autres moyens de transport de passagers par exemple en milieu urbain.

De nos jours les conditions thermiques dans lesquels des passagers sont transportés sont devenues un critère important du confort prodigué par un véhicule par exemple composant une rame de train, de tramway ou de métro. Par conséquent, au-delà de l’inconfort généré, les défaillances du système de chauffage, ventilation et climatisation (généralement définis par l’acronyme CVC) peuvent conduire à l’immobilisation d’une rame de train qui génère un manque à gagner pour l’opérateur et des retards pour les passagers. Une des causes principales de panne de système CVC est liée aux fuites en fluide réfrigérant du circuit de refroidissement. Ces problèmes de fuite sont particulièrement sournois car ils ne sont pas précédés de signes avant-coureurs jusqu’aux périodes estivales lorsque les températures montent. L’impact de ces fuites en termes de coût environnemental et de coût en réfrigérant peut être très élevé.

Dans le domaine du matériel ferroviaire, ils existent différentes solutions reliées à la détection de fuite de fluide réfrigérant. Ces solutions connues sont toutes empiriques et sont par exemple basées sur la corélation du temps nécessaire pour atteindre une certaine pression pendant le pompage en sortie d’évaporateur ou la mesure de la température de surchauffement avec température extérieure. Néanmoins, le résultat de ses solutions en termes de précision n’est pas très bon du fait de la nécessaire compensation d’une

multitude de paramètres, tels que par exemple la compensation des dispositifs d’expansion, des vitesses des différents ventilateurs, du colmatage des filtres et des échangeurs de chaleur, ou de la température et du niveau hydrométrique extérieur et intérieur.

L’objet de l’invention est de solutionner ces problèmes et de prévenir les défaillances de systèmes CVC dus à des fuites de fluide réfrigérant en proposant une méthode de détermination du niveau de charge en fluide réfrigérant dans un circuit de refroidissement pour système de climatisation embarqué dans laquelle la quantité totale de fluide réfrigérant sous forme gazeuse et liquide contenue dans les différents composants du système de climatisation est déterminée seulement sur la base de données internes au circuit de refroidissement.

La détermination de la quantité totale de fluide réfrigérant sous forme gazeuse et liquide en utilisant seulement des données internes au circuit de refroidissement et en s’affranchissant des données externes au circuit, permet d’obtenir des résultats plus précis. Par conséquent, la détection de fuites de fluide réfrigérant est améliorée.

Avantageusement, dans la méthode de détermination du niveau de charge en fluide réfrigérant selon l’invention les données internes au circuit utilisées sont des données correspondant aux paramètres géométriques et techniques des différents composants du circuit de refroidissement, ainsi que des informations sur le type de réfrigérant utilisé, et des données physiques du fluide réfrigérant mesurées en différentes parties du circuit correspondant à différents niveaux d’enthalpie.

Préférentiellement, dans la méthode de détermination du niveau de charge en fluide réfrigérant les données correspondant aux paramètres géométriques et techniques des différents composants du système de climatisation comprennent au moins les caractéristiques thermodynamiques d’un compresseur du système de climatisation, les caractéristiques géométriques dudit compresseur, les caractéristiques géométriques internes d’un évaporateur du système de climatisation, les caractéristiques géométriques internes d’un

condenseur du système de climatisation, et/ou les caractéristiques géométriques internes d’une conduite de liquide dudit système de climatisation.

Avantageusement, dans la méthode de détermination du niveau de charge en fluide réfrigérant selon l’invention les données physiques du fluide réfrigérant mesurées comprennent au moins des mesures de pression, et des mesures de température.

Préférentiellement, dans la méthode de détermination du niveau de charge d’un circuit de refroidissement selon l’invention les mesures de pression du fluide réfrigérant correspondent à une haute pression et une basse pression d’un cycle d’enthalpie dudit système de climatisation, et/ou les mesures de température du fluide réfrigérant correspondent à une température de surchauffement et une température de sous-refroidissement dudit cycle d’enthalpie.

Additionnellement, dans la méthode de détermination du niveau de charge d’un circuit de refroidissement selon l’invention une mesure de la tension d’alimentation du compresseur est prise en compte pour calculer le niveau de charge total en fluide réfrigérant.

Préférentiellement, dans la méthode de détermination du niveau de charge d’un circuit de refroidissement selon l’invention le cycle d’enthalpie pression/température est défini en prenant en compte les températures de surchauffement et de sous-refroidissement mesurées, et les pressions haute et basse mesurées.

Additionnellement, dans la méthode de détermination du niveau de charge d’un circuit de refroidissement selon l’invention un débit massique de fluide réfrigérant est calculé sur la base des températures de surchauffement et de sous-refroidissement mesurées, des pressions haute et basse mesurées, et de la tension d’alimentation et des caractéristiques thermodynamiques du compresseur.

Avantageusement, dans la méthode de détermination du niveau de charge d’un circuit de refroidissement selon l’invention une quantité de fluide réfrigérant en phase gazeuse est calculée sur la base des caractéristiques

géométriques dudit compresseur, du débit massique de fluide réfrigérant, et du cycle d’enthalpie pression/température.

Préférentiellement, dans la méthode de détermination du niveau de charge d’un circuit de refroidissement selon l’invention une quantité de fluide réfrigérant en phase liquide est calculée sur la base des caractéristiques géométriques internes d’une conduite de liquide dudit système de climatisation, du débit massique de fluide réfrigérant, et du cycle d’enthalpie pression/température.

Avantageusement, dans la méthode de détermination du niveau de charge total d’un circuit de refroidissement selon l’invention une quantité de fluide réfrigérant en phase liquide/gazeuse au niveau de l’évaporateur est calculée sur la base des caractéristiques géométriques internes de l’évaporateur dudit système de climatisation, du débit massique de fluide réfrigérant, et du cycle d’enthalpie pression/température.

En outre dans la méthode de détermination du niveau de charge total d’un circuit de refroidissement selon l’invention une quantité de fluide réfrigérant en phase liquide/gazeuse au niveau du condenseur peut être calculée sur la base des caractéristiques géométriques internes du condenseur dudit système de climatisation, du débit massique de fluide réfrigérant, et du cycle d’enthalpie pression/température.

Avantageusement, dans la méthode de détermination du niveau de charge total d’un circuit de refroidissement la quantité totale de fluide réfrigérant contenue dans le circuit de refroidissement est obtenue par la somme de la quantité de de fluide réfrigérant en phase liquide, en phase gazeuse et en phase liquide/gazeuse au niveau du condenseur et de l’évaporateur.

Dans un deuxième aspect de l’invention, il est proposé une méthode de détection de fuite sur un circuit de refroidissement pour système de climatisation embarqué comprenant les étapes de détermination d’un niveau de charge totale en fluide réfrigérant dans le circuit selon la méthode définie ci-dessus, de définition d’un niveau de charge nominale en fluide réfrigérant, d’analyse du niveau de charge total calculé par rapport au niveau de charge

nominal, et de déduction d’une prédiction de perte de fonctionnalité du système de climatisation.

Avantageusement, la méthode de détection de fuite sur un circuit de refroidissement selon l’invention comprend en outre une étape de transmission du niveau de charge total calculé à un dispositif d’analyse au sol par un dispositif de communication par radio ou par bus. Selon cette méthode le dispositif d’analyse au sol assure les étapes d’analyse du niveau de charge total calculé par rapport au niveau de charge total nominal, et de déduction de la prévision de perte de fonctionnalité du système de climatisation.

Selon un troisième aspect de l’invention, il est proposé un module de détection de fuite sur un circuit de refroidissement pour système de climatisation embarqué comprenant des capteurs aptes à mesurer des caractéristiques physiques du réfrigérant en différentes parties du circuit correspondant à différents niveaux d’enthalpie, et un contrôleur apte à déterminer, selon la méthode de détermination définie précédemment, le niveau de charge en réfrigérant contenu dans les différents composants du système de climatisation sur la base de données correspondant aux paramètres géométriques et techniques des différents composants du système de climatisation au type de réfrigérant utilisé, et des signaux générés par lesdits capteurs et représentatifs des caractéristiques physiques du réfrigérant mesurées en différentes parties du circuit.

Préférentiellement, le module de détection de fuite sur un circuit de refroidissement pour système de climatisation embarqué selon l’invention comprenant en outre un dispositif de communication radio ou par bus. Le dispositif de communication transmet le niveau de charge en fluide réfrigérant calculé par ledit module à un dispositif d’analyse au sol.

Additionnellement, le module de détection de fuite sur un circuit de refroidissement pour système de climatisation embarqué selon l’invention peut comprendre en outre un capteur de tension apte à mesurer la tension d’alimentation d’un compresseur du système de climatisation.

Avantageusement, dans le module de détection de fuite sur un circuit de refroidissement pour système de climatisation embarqué selon l’invention les capteurs comprennent au moins deux capteurs de température et/ou au moins deux capteurs de pression.

De préférence, dans le module de détection de fuite sur un circuit de refroidissement pour système de climatisation embarqué selon l’invention, un premier capteur de température est situé sur le circuit de refroidissement entre une soupape d’expansion et un condenseur du système de climatisation embarqué, et est apte à mesurer une température de sous-refroidissement du circuit, et un deuxième capteur de température est situé sur le circuit entre le compresseur et un évaporateur du système de climatisation embarqué, et est apte à mesurer une température de surchauffement du circuit.

En outre, dans le module de détection de fuite sur un circuit de refroidissement pour système de climatisation embarqué selon l’invention les capteurs peuvent comprendre aussi au moins un premier capteur de pression situé sur le circuit de refroidissement entre le compresseur et un condenseur du système de climatisation embarqué, apte à envoyer un signal représentatif de la pression haute du circuit, et un deuxième capteur de pression situé sur le circuit de refroidissement entre le compresseur et un évaporateur du système de climatisation embarqué, apte à envoyer un signal représentatif de la pression basse du circuit.

Préférentiellement, dans le module de détection de fuite sur un circuit de refroidissement pour système de climatisation embarqué selon l’invention les capteurs pour mesurer des caractéristiques physiques du réfrigérant en différentes parties du circuit sont ceux du système de climatisation, et un contrôleur principal du système de climatisation réalise les fonctions de détermination du niveau de charge total en fluide réfrigérant.

Selon un quatrième aspect de l’invention, il est proposé un véhicule de transport de passagers équipé d’un système de climatisation et comprenant un module de détection de fuite sur un circuit de refroidissement dudit système de climatisation embarqué tel que défini ci-dessus.

Selon un cinquième aspect de l’invention, il est proposé un programme comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par un contrôleur principal d’un système de climatisation embarqué ou par un contrôleur spécifique, conduit ledit contrôleur à exécuter les étapes de la méthode définie précédemment.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention sont mis en évidence par la description ci-après d’exemples non-limitatifs de réalisation des différents aspects de l’invention. La description se réfère aux figures annexées qui sont aussi données à titre d’exemples de réalisation non limitatifs de l’invention :

La figure 1 représente un schéma du circuit de refroidissement du système de climatisation embarqué selon l’invention ;

La figure 2 illustre un diagramme représentant la méthode de détection de fuite selon l’invention ;

La figure 3 montre un graphique l’évolution de la pression en fonction de la température pour un réfrigérant type ;

La figure 4 représente un diagramme enthalpique pour un réfrigérant type ; et

La figure 5 représente le résultat de tests faits avec différents niveaux de charge en réfrigérant.

Dans la suite, la description de l’invention est faite dans le contexte d’un wagon de train pour transporter des passagers et équipé d’un système CVC embarqué. Cette configuration de mise en œuvre de l’invention n’est décrite que pour mieux comprendre l’invention mais ne peut pas être considérée comme limitative pour celle-ci. Il en va de même pour tous les autres exemples de mise en œuvre des différentes caractéristiques constitutives de l’invention décris ci-après.

Comme illustré à la figure 1 , un circuit de refroidissement d’un système

CVC 1 comprend typiquement un compresseur 2, un condenseur 4, une ligne liquide 5 comprenant une soupape d’expansion 10, et un évaporateur 3. Dans ce circuit circule un fluide réfrigérant, par exemple du R134a. Ce fluide réfrigérant va se trouver dans le circuit tantôt en phase liquide comme dans la ligne liquide 5 et tantôt en phase gazeuse comme dans le compresseur 2. Dans le condenseur

4 et l’évaporateur 3 le fluide réfrigérant se trouvera à la fois en phase gazeuse et en phase liquide. Afin de détecter une fuite en réfrigérant, le circuit du système CVC est équipé d’un module de détection de fuite selon l’invention. Dans un exemple de mise en œuvre de l’invention, le module de détection de fuite comprend un contrôleur 8 et différents capteurs qui transmettent au contrôleur des signaux représentant exclusivement des paramètres internes au circuit 1 du système CVC. Sur la base de ces informations fournies par les capteurs, d’informations relatives aux caractéristiques thermodynamiques et géométrique des composants du circuit, et les caractéristiques du réfrigérant utilisé, par exemple du R134a, le contrôleur détermine la quantité de fluide réfrigérant dans les différents composants du circuit et ensuite en déduit la quantité totale de fluide réfrigérant contenue dans le circuit 1. Le module de détection de fuite comprend en outre un dispositif de communication 7 qui transmettra la quantité totale en fluide déterminée par le contrôleur 8 à une station d’analyse au sol 6 qui déterminera les pertes en fluide et les potentielles pertes en fonctionnalité qui en découleront. La transmission de données entre le dispositif de communication 7 du module de détection de fuite et la station d’analyse au sol peut se faire, par exemple, par transmission radio ou par bus. Dans les wagons de transport de passager récents le contrôleur principal du wagon ou du système CVC peut être utilisé dans le module de détection de fuite pour déterminer la quantité de fluide réfrigérant contenue dans le circuit. Il en va de même pour tout ou partie des capteurs transmettant au contrôleur 8 les informations dont il a besoin. En effet la plupart d’entre eux se trouvent déjà dans les systèmes CVC des trains récents et peuvent donc être réutilisés pour le module de détection de fuite en réfrigérant. Pour des équipements ferroviaires plus anciens ces capteurs et le contrôleur 8 pourront dans la plupart des cas être installés, par exemple à l’occasion d’une opération de maintenance.

En plus du contrôleur 8 et du dispositif de communication 7, le module de détection de fuite de réfrigérant comprend deux capteurs de pression montés sur le circuit de refroidissement 1. Un capteur de pression haute 13 est situé entre le compresseur 2 et le condenseur 4 du système de climatisation embarqué, et un capteur de pression basse 14 est situé entre le compresseur 2 et un évaporateur 3 du système de climatisation embarqué. Ces capteurs de pression 13 et 14 transmettent au contrôleur 8 des signaux représentatifs de la pression

du fluide réfrigérant en aval et en amont du compresseur 2. Le module de détection de fuite comprend également deux capteurs de température également installés sur le circuit de refroidissement 1. Un premier capteur de température 11 est situé entre la soupape d’expansion 10 et le condenseur 4 du système de climatisation embarqué. Ce capteur de température 1 1 mesure la température de sous-refroidissement du fluide réfrigérant dans le circuit. Un deuxième capteur de température 12 est situé entre le compresseur 2 et l’évaporateur 3 du système de climatisation embarqué. Ce capteur de température 12 mesure la température de surchauffement du fluide réfrigérant dans le circuit. Optionnellement, un capteur de tension 9 peut être monté sur l’alimentation du compresseur 2 afin que le signal représentatif de la tension d’alimentation du compresseur soit transmis au contrôleur 8.

La figure 2 montre la logique sur laquelle se base la méthode de détection de fuite de réfrigérant mis en oeuvre par le contrôleur 8 pour déterminer la quantité totale de fluide réfrigérant contenu dans le circuit de refroidissement. La transmission de la quantité totale de fluide contenue dans le circuit permet de suivre l’évolution de celle-ci en fonction du temps. Avant d’être transmis par le dispositif de communication 7 au dispositif d’analyse au sol 6, le signal est filtré afin d’identifier et d’éliminer les effets indésirables dus à d’éventuels surcharges de fluide réfrigérant par rapport à la charge critique. La méthode de détermination du niveau de charge en fluide réfrigérant dans le circuit du système CVC n’utilise que des données internes au circuit de refroidissement comme décrit ci-dessous. Ces données sont des données correspondant aux paramètres géométriques et techniques des différents composants du circuit de refroidissement, des informations sur le type de réfrigérant utilisé, ici du R134a, et les pressions hautes et basses ainsi que les températures de surchauffement et de sous-refroidissement du fluide réfrigérant mesurées en différentes parties du circuit par des capteurs positionnés comme décrit ci-dessus et correspondant à différents niveaux d’enthalpie.

Les données correspondant aux paramètres géométriques et techniques des différents composants du système de climatisation sont les caractéristiques thermodynamiques et géométriques du compresseur 2, les

caractéristiques géométriques internes de l’évaporateur 3 et du condenseur 4, et les caractéristiques géométriques internes de la conduite de liquide 5.

Ainsi, comme illustré sur la figure 2, le débit massique du fluide réfrigérant dans le circuit de refroidissement est déterminé sur la base des pressions hautes et basses mesurées ainsi que de la température de surchauffement, de la tension d’alimentation du compresseur, et des caractéristiques thermodynamiques du compresseur. Le cycle pression/ température/enthalpie du fluide réfrigérant est lui obtenue sur la base des pressions hautes et basses mesurées, de la température de surchauffement et de sous-refroidissement, et des caractéristiques thermodynamiques du compresseur.

A leur tour, le cycle pression/température/enthalpie et le débit massique permettent de déterminer la quantité de gaz dans la ligne de gaz et le compresseur avec les caractéristiques géométriques du compresseur, la quantité de gaz et de liquide dans l’évaporateur avec les caractéristiques géométriques de l’évaporateur, la quantité de gaz et de liquide dans le condenseur avec les caractéristiques géométriques du condenseur, et la quantité de liquide dans la ligne liquide avec les caractéristiques géométriques de la ligne liquide. Une fois déterminées, ces quatre quantités de fluide réfrigérant permettent d’obtenir la quantité totale de fluide réfrigérant contenue dans l’intégralité du circuit.

Le débit massique de fluide réfrigérant aspiré et refoulé par le compresseur se calcule en utilisant les formules polynomiales données par le constructeur. Comme par exemple: M = CO + C1 *S + C2*D + C3*S2 + C4*S*D + C5*D2 + C6*S3 + C7*D*S2 + C8*S*D2 + C9*D3. Dans cette formule, C1 à C9 sont des coefficients, S est la température d’évaporation en °C, D est la température de condensation en °C, et le résultat M est le débit massique recherché en kg/s. Le débit massique est calculé pour une valeur nominale de surchauffement. Il doit donc être recalculé pour la valeur réelle de surchauffement sur le circuit de refroidissement vu l’impact de la température sur la densité du gaz qui est aspiré par le compresseur 2. Quant à eux, les coefficients sont calculés pour une certaine fréquence. Il faut donc recalculer le débit massique pour la fréquence réelle en multipliant le résultat par le ratio : fréquence réelle / fréquence nominale.

Dans la modélisation du cycle enthalpique du réfrigérant, les polynômes du fluide utilisés sont : la pression par rapport à la température, la densité du liquide par rapport à la pression, la densité du gaz par rapport à la densité, la chaleur spécifique molaire du liquide par rapport à la pression, la chaleur spécifique molaire du gaz par rapport à la pression, l’enthalpie du liquide par rapport à la pression et l’enthalpie du gaz par rapport à la pression. On obtient le graphe de la pression contre la température qui est montré à la figure 3. Avec ces données il est possible de tracer le graphique pression/température/enthalpie montré à la figure 4.

Les dimensions des tubes constituant le condenseur, l’évaporateur et la ligne liquide sont utilisées pour estimer le volume, la vitesse et la densité du fluide dans les tubes. Par exemple :


La ligne liquide 5 étant pleine de liquide, il est possible de déterminer le volume de fluide dans celle-ci en considérant la densité du fluide à la pression du condenseur (donnée par le capteur de pression haute 13) et la température de sous-refroidissement (donnée par le capteur de température de sous-refroidissement 1 1 ).

Il est aussi possible de déterminer la densité dans l’évaporateur 3 et le condenseur 4 connaissant le nombre de circuit dans l’échangeur de chaleur et le débit massique qui est fixe tout au long du circuit. La densité équivalente est calculée en l’intégrant de surchauffement/désurchauffement au pourcentage de liquide selon le diagramme enthalpique.

Du fait que la densité du gaz est 1000 fois inférieure à celle du liquide, il est possible d’ignorer la contribution volumique de la ligne de gaz et du compresseur 2.

La figure 5 montre les résultats de tests fait en laboratoire avec un circuit de refroidissement dans une salle climatique à différentes conditions extérieures et intérieures. Sur l’axe des abscisses sont représentés les pressions de condensations. Sur l’axe des ordonnés sont représentés le niveau de fluide réfrigérant calculé. Les courbes de différentes couleurs montrent les résultats du calcul pour les différents niveaux de charge de fluide testés. La déformation des courbes pour les basses pressions de condensation est due à l’effet de l’excès de liquide dans le condenseur.

En fait, la méthode décrite ci-dessus est transcrite en un programme d’ordinateur dont les instructions lorsqu’elles sont exécutées par un contrôleur permettent de déterminer la quantité de fluide réfrigérant contenue dans un circuit de refroidissement pour système CVC. Le programme peut aussi bien être installé dans un contrôleur spécifique du module de détection de fuite de réfrigérant que dans un contrôleur principal, tel que celui qui gère le fonctionnement du système CVC.

La combinaison des avantages obtenus par les différents aspects de la méthode et du module décrits ci-avant permet de déterminer la quantité totale de fluide dans un circuit de refroidissement pour système CVC uniquement sur la base de paramètres internes au circuit. Ainsi, il est possible de s’affranchir de l’impact du colmatage des échangeurs de chaleur et du volume d’air les entourant, de toutes les autres variables influençant le coefficient d’échange thermique. L’approche théorique décrite ci-dessus permet ainsi d’appliquer la solution de l’invention à tous les véhicules d’une flotte sans campagne de tests coûteuse, puisque seulement un test de réglage est nécessaire.

Le module de détection de fuite de réfrigérant étant un produit en soi, il peut être installé dans tous les véhicules équipés de systèmes CVC embarqués qu’ils soient neufs ou à remettre à niveau.

La communication par bus, ou mieux par radio, entre le contrôleur 2 du module de détection de fuite et la station d’analyse au sol 6 permet de suivre l’état des systèmes CVC d’une flotte de véhicule de transport de passagers et d’évaluer le terme pour une opération de réparation et/ou de remplissage du circuit en fonction des prévisions de température mensuelles. En termes d’impact écologique, la possibilité d’intervenir sur le système CVC avant que le circuit de refroidissement ne soit complètement déchargé réduit significativement l’émission dans l’atmosphère de fluide réfrigérant responsable du réchauffement global.

Bien que dans la description ci-dessus, les aspects particuliers de l’invention, notamment la mise en œuvre de la méthode de détermination de de la quantité de fluide réfrigérant dans un circuit de refroidissement et la méthode de détection de fuite pour des systèmes CVC embarqués, aient été décrites dans le contexte d’un wagon de passagers, elles pourraient être mises en œuvre dans d’autres configurations, notamment avec d’autres types de véhicules de transport de passagers.