Brevet FR2718683A1 — publié le 19951020

DISPOSITIF DE CLIMATISATION A ADSORPTION La présente invention concerne un dispositif de climatisation, destiné notamment à être monté sur un véhicule automobile. Il concerne plus particulièrement un dispositif de climatisation du type à adsorption. La publication US-4.479.364 décrit un dispositif de climatisation basé sur la désorption et l'adsorption d'eau par un composé minéral appelé zéolithe. La chaleur récupérée lors des phases de désorption est utilisée pour la climatisation de l'habitacle du véhicule. Une résistance électrique intégrée dans la masse de l'adsorbant assure le chauffage de la zéolithe nécessaire à la désorption. La désorption de l'adsorbat (l'eau) de l'adsorbant (la zéolithe) résulte du chauffage par effet joule de l'adsorbant par une résistance électrique. Les matériaux adsorbants qui présentent de bonnes qualités d'adsorption et de désorption possèdent une structure de type poreux, cette dernière augmentant considérablement le nombre de sites susceptibles de faciliter l'adsorption de l'adsorbat par l'adsorbant. Cette structure poreuse se traduit cependant par un faible coefficient de conductivité. La faible diffusion de la chaleur dans la masse de l'adsorbant à partir d'une source de chaleur localisée telle qu'une résistance électrique crée donc un gradient de température dans la masse de l'adsorbant. La désorption de l'adsorbat de la masse de l'adsorbant sera donc inégale, meilleure dans les zones voisines de la source de chaleur et moindre dans les zones périphériques, ce qui limite le rendement du dispositif. On peut certes améliorer le coefficient de conductivité de l'adsorbant en compactant la masse d'adsorbant, mais dans ce cas, on diminue le nombre de sites et donc la capacité d'adsorption de l'adsorbant. L'invention a pour objet d'améliorer le rendement des dispositifs de climatisation à adsorption, en proposant d'uniformiser le chauffage du matériau adsorbant lors d'une phase de désorption tout en conservant au matériau adsorbant ses qualités en tant que tel. Cette utilisation d'un flux d'adsorbat préalablement porté à une température d'activation des phases d'adsorption et de désorption de l'adsorbat optimise conjointement le transfert de masse et le transfert de chaleur dans le matériau adsorbant. La présente invention permet d'obtenir un meilleur coefficient d'échange thermique et une uniformisation de la température dans le matériau adsorbant, ce qui diminue la durée des cycles d'adsorption/désorption et permet de récupérer une puissance thermique plus importante au niveau des échangeurs et donc un rendement énergétique amélioré du dispositif à adsorption par rapport aux dispositifs connus de l'état de la technique. Un autre objet de la présente invention est de proposer un dispositif à adsorption dans lequel la régénération de l'adsorbant peut être effectuée par les sources de chaleur présentes sur un véhicule automobile, notamment le liquide de refroidissement du groupe motopropulseur, l'huile de lubrification du groupe motopropulseur. On comprendra mieux les buts, aspects et caractéristiques de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, présenté à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - les figures 1 et 2 sont des schémas synoptiques d'un dispositif de climatisation selon la présente invention, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation de l'enceinte contenant l'adsorbant. - la figure 4 est un diagramme du cycle thermodynamique de fonctionnement du dispositif de climatisation à adsorption. En référence à la figure 3, un matériau adsorbant la choisi parmi des couples adsorbant/adsorbat connus, est contenu dans une enceinte 1' qui l'isole thermiquement du milieu ambiant. Le matériau peut être conformé en un bloc maintenu compact par un récipient ld constitué d'une structure grillagée ou en tôle perforée. Des cales lc en matériau élastique sont interposées entre le récipient et la surface intérieure de l'enceinte, ces dernières assurant une double fonction de positionnement du récipient dans l'enceinte et d'amortissement des vibrations transmises au matériau lors du roulage du véhicule. A titre d'exemples non limitatifs, le couple zéolithe/eau, la zéolithe étant un composé d'alumino-silicate microporeux, ou le couple charbon actif/méthanol peuvent être retenus. Les matériaux constitutifs de ces deux couples présentent entre autre comme avantages ceux d'être peu coûteux, non nocifs pour l'homme, ainsi que facilement recyclables. Selon un mode de réalisation de l'enceinte, cette dernière comporte une partie centrale cylindrique soudée à une première partie terminale et une seconde partie terminale, de forme générale tronconique, respectivement divergente, d'entrée de l'adsorbat, connectée à un circuit de condensation 4 de l'adsorbat, et convergente, de sortie de l'adsorbat, connectée à un circuit d'évaporation 5 dudit adsorbat. Les parties terminales de l'enceinte sont reliées aux conduites des circuits d'évaporation 5 et de condensation 4 par des joints lb en matériau thermiquement isolant. Le circuit d'évaporation 5 et le circuit de condensation 4 sont connectés à un réservoir 2 de fluide adsorbat. Les circuits d'évaporation 5 et de condensation 4 peuvent être respectivement isolés de l'enceinte 1 et du réservoir 2 par des vannes (V2,V6) et (Vl,V5) coopérant avec des actionneurs commandés par une unité centrale (non représentée), en fonction de signaux représentatifs notamment de la température et de la pression en différents points du dispositif de climatisation ou de tout autre signal représentatif de paramètres thermodynamiques en des points particuliers du dispositif permettant de contrôler le déroulement des phases d'adsorption et de désorption. Les circuits d'évaporation 5 et de condensation 4 de l'adsorbat comportent un échangeur de chaleur, qui transfère la chaleur et le froid respectivement recueilli lors des phases de désorption et d'adsorption à un circuit de chauffage et de refroidissement, de types connus, de l'habitacle du véhicule. Un circuit secondaire 7 comprenant des moyens d'échange de chaleur montés en série avec une pompe P par des conduites de fluide, communique avec les circuits de condensation 4 et d'évaporation 5 au niveau de leur connexion respective avec l'enceinte 1. Les moyens d'échange de chaleur sont mis sélectivement en relation d'échange thermique avec une source froide et une source chaude respectivement lors de la phase d'adsorption et de la phase de désorption. La source chaude est de préférence constituée par une source de chaleur disponible sur le véhicule, par exemple le flux des gaz d'échappement, les fluides de refroidissement ou de lubrification de différents organes mobiles du véhicule. La source froide est, quant à elle, constituée préférentiellement par l'air extérieur au véhicule. On peut envisager deux modes de réalisation des moyens d'échange de chaleur du circuit secondaire selon le type de source chaude retenue: - dans un premier mode de réalisation représenté à la figure 1, lorsque la source chaude est constituée par la chaleur résiduelle des gaz d'échappement prélevée par une tubulure placée dans le flux desdits gaz, on peut utiliser un même échangeur 3 pour refroidir et chauffer l'adsorbat respectivement lors des phases d'adsorption et de désorption. Une vanne V3 permet de sélectionner soit un flux d'air extérieur, soit un flux d'air préalablement chauffé lors de son passage dans la tubulure placée dans le flux des gaz d'échappement. - dans un deuxième mode de réalisation représenté à la figure 2, la source chaude est constituée par un liquide de refroidissement ou de lubrification des organes mobiles du véhicule tels que par exemple l'huile en sortie du groupe motopropulseur. Dans ce cas, les moyens d'échange de chaleur sont constitués par un premier 4' et un second 4" échangeurs montés en série. En effet, les fluides utilisés comme source chaude et froide (air extérieur) étant respectivement liquide et gazeux, ils nécessitent chacun un échangeur spécifique, étant entendu que lorsque le premier échangeur 4' est alimenté par la source chaude par ouverture d'une vanne V4', et le second échangeur 4" est isolé de la source froide par fermeture d'une vanne V4". Lorsque les fluides constituant la source chaude n'ont pas atteint une température suffisante pour provoquer la désorption, ce qui est notamment le cas au démarrage du véhicule, des moyens de chauffage auxiliaires constitués, à titre d'exemple, par une résistance électrique 3" alimentée par une source d'énergie telle qu'une batterie d'accumulateurs, et placée à l'intérieur d'une conduite du circuit secondaire, permet de chauffer l'adsorbat préalablement à son passage dans la masse du matériau adsorbant, et ce jusqu'à l'obtention d'un régime établi de température suffisant au sein du fluide adsorbat. Le chauffage de l'adsorbat par effet joule au moyen de la résistance électrique 3" se poursuit tant que la température de l'adsorbat en sortie du circuit secondaire n'a pas atteint une valeur de consigne au moins égale à la valeur Tdes nécessaire à la phase de désorption, compte tenu des pertes thermiques entre la sortie du circuit secondaire et le passage de l'adsorbat ainsi chauffé dans la masse du matériau adsorbant. Le cycle utilisé par le dispositif de climatisation comporte une phase d'adsorption et une phase de désorption respectivement concomitantes à une phase de refroidissement et de chauffage de l'adsorbant. Le chauffage et le refroidissement de l'adsorbant s'effectuant respectivement par des transferts thermiques de l'adsorbant avec une source chaude à la température Tdes et une source froide à la température Tads. En début de phase de désorption, l'adsorbant se trouve à la température Tads fixée par la source froide et à la pression Pévap imposées par les paramètres thermodynamiques de fonctionnement (Tévap,Pévap) de l'évaporateur, la masse adsorbée dans cet état étant maximale. L'enceinte l est isolée des circuits d'évaporation 5 et de condensation 4 par fermeture des vannes (V2,V6) et des vannes (Vl,V5). L'adsorbat est alors mis en circulation par la pompe P dans le circuit secondaire et chauffé au niveau de l'échangeur 3 par un positionnement adéquat de la vanne V3 sélectionnant un flux d'air préalablement porté à la température des gaz d'échappement, dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 1, ou par fermeture de la vanne V4" et l'ouverture de la vanne V4' dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 2. Le flux d'adsorbat, déjà sous forme gazeuse, et porté à une température proche de celle de la source chaude, circule ensuite dans la masse du matériau adsorbant en le chauffant. Les vannes Vi, V2, V5 et V6 sont alors fermées. La température et la pression dans l'enceinte augmentent alors jusqu'à atteindre la température Ts et la pression Ps imposées par des paramètres thermodynamiques de fonctionnement (Tcond, Pcond) du condenseur. Les vannes Vl et V5 sont alors ouvertes, ce qui provoque la mise en communication du condenseur avec l'enceinte contenant l'adsorbant. L'adsorbant continuant à s'échauffer, provoque la désorption de la vapeur d'adsorbat et sa condensation. L'adsorbat se condense en cédant de la chaleur au niveau du condenseur à une source de chauffage de l'habitacle, puis est transféré sous forme liquide dans le réservoir de stockage. La phase de désorption continue jusqu'à ce que la température de l'adsorbant atteigne la température maximale Tdes fixée par la source chaude. Le chauffage de l'adsorbat au niveau de l'échangeur, référencé respectivement 3 et 4' sur les figures l et 2, est alors interrompu par un positionnement adéquat respectivement des vannes V3 et V4'. Les vannes (Vl,V5) sont alors fermées et l'enceinte 1 est à nouveau isolée; l'adsorbant est refroidi par un flux d'adsorbat mis en circulation par la pompe P dans le circuit secondaire. Le flux d'adsorbat échange de la chaleur avec la source froide au niveau de l'échangeur 3 par un positionnement adéquat de la vanne V3, de sorte que soit sélectionnée l'arrivée d'air extérieur, dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure l, ou par ouverture de la vanne V4" et fermeture de la vanne V4' dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 2. Du fait de son refroidissement, la pression et la température dans l'enceinte évoluent jusqu'à ce qu'elles atteignent la température Ts' et la pression Pévap imposées par les paramètres thermodynamiques de fonctionnement (Tévap, Pévap) de l'évaporateur. Les vannes (V2,V6) sont alors ouvertes provoquant la mise en communication de l'enceinte avec l'évaporateur et l'évaporation au niveau de l'évaporateur de l'adsorbat contenu sous forme liquide dans le réservoir, la vapeur d'adsorbat étant ensuite adsorbée par l'adsorbant. La phase d'adsorption se poursuit jusqu'à ce que la température de l'adsorbant atteigne la température minimale Tads fixée par la source froide. Le flux d'adsorbat à une température proche de celle de la source froide circule dans la masse du matériau adsorbant en le refroidissant, ce qui provoque l'évaporation d'une partie de l'adsorbat liquide contenu dans le réservoir de stockage 2, et la production de froid au niveau de l'évaporateur, puis l'adsorption de la vapeur d'adsorbat par le matériau adsorbant. Il y a création de froid au niveau de l'évaporateur et de chaleur au niveau de l'échangeur. Le débit de l'adsorbat doit être assez important pour permettre la recirculation du fluide dans la branche du circuit contenant l'adsorbant. La sélection des positions d'ouverture ou de fermeture des vannes du dispositif de climatisation est effectuée par des actionneurs (non représentés) commandés par une unité centrale (non représentée) en fonction de signaux représentatifs respectivement de la température du matériau adsorbant et de l'adsorbat. Ces températures sont mesurées par des thermocouples Thl et Th2 implantés respectivement dans la masse du matériau adsorbant et en sortie du circuit secondaire. Cette sélection des positions d'ouverture ou de fermeture des vannes Vl,V2,V5,V6 va maintenant être expliquée en référence à la figure 3, le cycle thermodynamique représenté à cette figure étant décrit dans le sens 1-2-3-4 - les vannes Vi et V5 sont ouvertes dans la phase 2 du cycle puis sont fermées lors des phases 3,4 et 1 du cycle, - les vannes V2 et V6 sont ouvertes lors de la phase 4 du cycle, puis sont fermées lors des phases 1, 2 et 3. REVENDICATION8 l) Dispositif de climatisation à adsorption, notamment pour un véhicule automobile, comprenant une enceinte l contenant un matériau adsorbant reliée à un réservoir 2 de stockage d'un adsorbat par un circuit d'évaporation 5 de l'adsorbat d'une part, et par un circuit de condensation 4 de l'adsorbat d'autre part, et des moyens de transferts thermiques à l'adsorbant, caractérisé en ce que lesdits moyens de transferts thermiques sont constitués par un circuit secondaire 7 communiquant avec les circuits d'évaporation 5 et de condensation 4 au niveau de leur connexion respective avec l'enceinte, ce circuit secondaire 7 comprenant des moyens d'échange de chaleur disposés en série avec une pompe P de mise en circulation de l'adsorbat afin de générer un flux d'adsorbat dans la masse du matériau adsorbant. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'échange de chaleur comprennent des moyens de chauffage et des moyens de refroidissement d'une partie de l'adsorbat dans le circuit secondaire. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont en relation d'échange thermique avec une source chaude constituée par le flux des gaz d'échappement ou les liquides de lubrification ou de refroidissement des différents organes mobiles du véhicule. 4) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source froide est constituée par l'air extérieur au véhicule. 5) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide adsorbat est chauffé par des moyens électriques 3" lors de son passage dans le circuit secondaire. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte est isolée thermiquement des circuits d'évaporation 5 et de condensation 4 de l'adsorbat. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte est constituée en un matériau thermiquement isolant. 8) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les circuits d'évaporation 5 et de condensation 4 sont sélectivement isolés, par des vannes (Vl,V2,V3,V4), de l'enceinte l d'une part et du réservoir 2 d'autre part.