LA VANNE 4 VOIES D’INVERSIONDE CYCLE (1^ère partie)

De très nombreuses pompes à chaleur ont été installées depuis le premier choc pétrolier de 1973. La plupart de ces pompes à chaleur sont équipées d’une vanne d’inversion de cycle à 4 voies utilisée soit pour passer la pompe en régime été (refroidissement), soit pour dégivrer la batterie extérieure en régime hiver (chauffage).

L’objet de ce chapitre est d’étudier le fonctionnement de la vanne d’inversion de cycle à 4 voies (V4V), qui équipe la majorité des pompes à chaleur air-air classiques ainsi que les systèmes de dégivrage par inversion de cycle (voir page 433), de sorte à être capable de remédier efficacement aux dysfonctionnements les plus courants.

A) Fonctionnement de la V4V :

Examinons ci-contre le schéma de l’une de ces vannes, constituée d’une grosse vanne principale à 4 voies et d’une petite électrovanne pilote à 3 voies montée sur le corps de la vanne principale.

Pour l’instant, intéressons-nous de près à la vanne principale à 4 voies :

Remarquons d’abord que sur les 4 raccordements de la vanne principale, 3 sont placés côte à côte (l’aspiration du compresseur est toujours raccordée sur celui du milieu) et que le quatrième raccordement se trouve seul de l’autre coté (on y raccorde toujours le refoulement du compresseur)

Notez que le raccordement du refoulement peut être décentré sur certains modèles de V4V.

A l’intérieur de la vanne principale, la communication entre les différentes voies est assurée par un tiroir amovible (repère 3) coulissant entre 2 pistons (repère 4). Chaque piston est percé d’un petit orifice (repère 5) et est équipé d’un pointeau (repère 6).

Enfin, 3 capillaires (repères 7) sont piqués sur le corps de vanne, comme indiqué sur le schéma, et raccordés sur l’électrovanne pilote.

Chaque élément que nous venons de présenter à son rôle dans le fonctionnement de la vanne V4V. C’est dire que si l’un de ces éléments est défaillant, il peut être à l’origine d’une anomalie de fonctionnement très difficile à déceler si l’on ne maîtrise pas bien le principe de fonctionnement de la vanne.

Étudions maintenant comment fonctionne la vanne principale...

Si la V4V n’est pas installée et qu’on alimente la petite électrovanne pilote, on l’entend distinctement " cliquer " mais le tiroir ne bouge pas. En effet, pour faire bouger le tiroir à l’intérieur de la vanne principale, il est absolument nécessaire que les pressions HP et BP soit présentes à l’intérieur de cette vanne. Voyons pourquoi...

Le refoulement du compresseur (la HP) et l’aspiration (la BP) sont toujours raccordés comme représenté ci-contre. Pour l’instant, nous simulerons le fonctionnement de l’électrovanne pilote à 3 voies par l’intermédiaire de 2 vannes manuelles : L’une fermée (repère 5) et l’autre ouverte (repère 6)

Au centre de la vanne, la HP exerce une force sur les 2 pistons, qui pousse le tiroir vers la gauche (repère 1) et en même temps vers la droite (repère 2). Ces 2 forces étant identiques, elles s’annulent.

Rappelez-vous que les 2 pistons sont percés d’un petit orifice. La HP peut donc passer derrière le piston de gauche (repère 3) et elle pousse alors le tiroir vers la droite.

Simultanément, la HP passe également derrière le piston de droite (repère 4). Mais, comme la vanne 6 est ouverte et que le diamètre du capillaire de liaison est beaucoup plus important que le diamètre de l’orifice du piston, les molécules de gaz HP qui traversent cet orifice sont aussitôt aspirées dans la BP. La pression derrière le piston de droite (repère 4) s’équilibre donc avec la BP.

Ainsi, la plus grande force (due à la HP) poussant vers la droite, le tiroir se déplace à droite en mettant en communication le refoulement avec la tuyauterie de gauche (repère 7) et l’aspiration avec la tuyauterie de droite (repère 8).

Si maintenant la HP s’applique sur la droite du tiroir (vanne 6 fermée) et que la BP s’applique à gauche (vanne 5 ouverte), la force prépondérante poussant vers la gauche, le tiroir se déplace à gauche.

A ce moment, le tiroir met en communication le refoulement avec la tuyauterie de droite (repère 8) et l’aspiration avec la tuyauterie de gauche (repère 7), c’est à dire exactement l’inverse du schéma précédent !

Rappelez-vous que c’est la différence de pression entre la HP et la BP qui permet au tiroir de se déplacer.

Bien sûr, il ne serait pas envisageable d’utiliser 2 vannes manuelles pour inverser le cycle de fonctionnement. C’est pourquoi nous allons maintenant étudier de plus près le fonctionnement de l’électrovanne pilote à 3 voies chargée d’automatiser cette inversion de cycle.

Nous avons vu que les déplacements du tiroir ne pouvaient se produire que s’il existe une différence de pression entre la HP et la BP. L’électrovanne pilote à 3 voies ne sert qu’à faire chuter la pression sur l’une ou l’autre des extrémités de la vanne principale. C’est pourquoi cette électrovanne pilote, de très faible dimension, est exactement la même quel que soit le diamètre de la grosse vanne principale.

La voie centrale est la voie commune (qui n’est jamais fermée) et qui est raccordée sur la BP.

La bobine n’étant pas alimentée, la voie de droite est fermée et c’est la voie de gauche qui est mise en communication avec la BP. A l’inverse, quand la bobine est alimentée, la voie de droite est mise en communication avec la BP et c’est la voie de gauche qui se ferme.

Examinons maintenant un circuit frigorifique très simplifié équipé d’une V4V.

La bobine de l’électrovanne pilote n’étant pas alimentée, sa voie de gauche ainsi que la partie gauche du tiroir sont mis en communication avec la BP (rappelons que le diamètre de l’orifice du piston est beaucoup plus petit que le diamètre des capillaires de liaison). C’est donc la BP qui règne à gauche du tiroir.

Puisque la HP règne sur la droite du tiroir, la différence de pression le repousse brutalement sur la gauche de la vanne principale.

Arrivé en butée gauche, le pointeau de piston (repère A) étrangle l’orifice de liaison du capillaire de sorte à interrompre le passage des gaz, devenu inutile. En effet, une fuite permanente entre la HP et la BP ne pourrait qu’avoir une influence néfaste sur le fonctionnement (voir panne du compresseur trop petit, aspect pratique, page 145). Notez que la pression va de nouveau s’équilibrer avec la HP à gauche du tiroir, mais la HP régnant également à droite, le tiroir ne pourra plus changer de position.

Notez bien l’emplacement du condenseur et de l’évaporateur, ainsi que le sens de passage du fluide dans le détendeur capillaire.

Maintenant, avant de tourner la page, essayez d’imaginer ce qui va se passer lorsqu’on va alimenter la bobine de l’électrovanne...

En alimentant la bobine de l’électrovanne, on met en communication la partie droite du tiroir avec la BP, et le tiroir se déplace brutalement vers la droite. Arrivé en butée, le pointeau de piston interrompt la fuite de gaz en étranglant l’orifice de liaison du capillaire. Le tiroir s’étant déplacé, le refoulement est maintenant dirigé sur l’ancien évaporateur, devenu condenseur. De même, le compresseur aspire dans l’ancien condenseur, devenu évaporateur. Notez que le fluide frigorigène traverse maintenant le capillaire dans l’autre sens.

Pour éviter toute confusion, chaque batterie étant tour à tour évaporateur ou condenseur, on préfère les nommer batterie extérieure (pour l’échangeur situé en dehors des locaux) et batterie intérieure (pour l’échangeur situé à l’intérieur des locaux).

B) Risques de coups de liquide :

En fonctionnement normal, le condenseur est rempli de liquide. Or, au moment de l’inversion de cycle, nous avons vu que le condenseur se transforme brutalement en évaporateur : C’est dire qu’une importante quantité de liquide risque d’être aspiré par le compresseur, même si le détendeur (ce n’est pas toujours un capillaire) est fermé à fond.

Pour éviter ce risque, on installe généralement une bouteille anti-coups de liquide sur l’aspiration, comme représenté ci-contre.

La bouteille est conçue de sorte qu’un éventuel afflux de liquide ne puisse atteindre le compresseur, principalement lors d’une inversion de cycle. Le liquide reste piégé dans le fond de la bouteille et l’aspiration se fait par le haut de la bouteille, éliminant tout risque.

Mais nous avons vu que de l’huile (donc un liquide) revient en permanence par l’aspiration. Pour permettre le retour de cette huile au compresseur, un orifice calibré (ou parfois un capillaire) est prévu en partie basse de la canne d’aspiration.

Lorsque du liquide (huile ou frigorigène) se trouve piégé dans la bouteille, il est aspiré par l’orifice calibré et retourne lentement et régulièrement au compresseur, en quantité bien insuffisante pour risquer de provoquer des dégâts.