Brevet FR2779994A1 — publié le 19991224

Circuit de climatisation de véhicule muni d'un dispositif de prédétente L'invention concerne une boucle de fluide réfrigérant, notamment pour une installation de climatisation de l'habita- cle d'un véhicule. JP-A-95 81383 décrit une telle boucle comprenant un compres- seur propre à élever la pression du fluide à l'état gazeux, un condenseur propre à condenser le fluide comprimé par le compresseur et à le sous-refroidir à l'état liquide, un dispositif de prédétente propre à abaisser la pression du fluide sortant du condenseur, avant son passage dans un réservoir séparateur propre à séparer le gaz résiduel du fluide à l'état liquide provenant du condenseur, un détendeur propre à abaisser la pression du fluide sortant du réservoir et un évaporateur propre à faire passer le fluide provenant du détendeur de l'état liquide à l'état gazeux avant son retour au compresseur. La figure 1 est un diagramme représentant un cycle thermody- namique décrit par le fluide réfrigérant dans une boucle de climatisation, tracé dans un système de coordonnées enthal- pie/pression. Dans ce système, une courbe en forme de cloche L enveloppe une zone de coexistence entre liquide et gaz, tandis que le fluide est entièrement à l'état liquide à gauche du flanc gauche de la courbe et entièrement à l'état gazeux à droite du flanc droit. Le cycle a sensiblement la forme d'un trapèze rectangle à bases horizontales. À partir d'un point A situé dans la zone gazeuse, le compresseur amène le fluide à l'état gazeux en un point B correspondant à une enthalpie et une pression plus élevées que celles du point A. Dans le condenseur, le fluide parcourt un segment horizontal du point B à un point E situé dans la zone liquide, lequel segment traverse les flancs droit et gauche de la courbe L en des points C et D respecti- vement. Les segments BC, CD et DE correspondent respective- ment à une désurchauffe du fluide gazeux, à la condensation et à un sousrefroidissement du fluide à l'état liquide. A l'entrée de l'évaporateur, le fluide se trouve en un point G situé dans la zone liquide/gaz, correspondant à la même valeur d'enthalpie que le point E et à la même valeur de pression que le point A. Dans l'évaporateur, le fluide est ramené au point A en traversant en H le flanc droit de la courbe L. Dans les boucles de fluide réfrigérant classiques, le fluide passe par le réservoir séparateur au point E du cycle thermodynamique, et parcourt le segment EG dans le détendeur. Le point E étant situé dans la zone liquide, le réservoir est alors entièrement rempli de liquide et la quantité de fluide qu'il renferme ne peut varier. Lorsque la masse totale du fluide réfrigérant contenu dans la boucle diminue, notamment à cause des fuites du circuit, cette diminution s'effectue notamment aux dépens du condenseur, dont la capacité de sous- refroidissement est ainsi réduite, ce qui a pour effet de relever le niveau d'enthalpie du fluide à la sortie du condenseur et à l'entrée de l'évaporateur et par conséquent de réduire la puissance calorifique absorbée par le fluide dans l'évaporateur. Une solution à ce problème consiste à s'écarter de l'archi- tecture classique en interposant le réservoir séparateur entre une partie de condensation et une partie de sous- refroidissement du condenseur, de façon que l'état thermody- namique du fluide dans le réservoir corresponde au point D du cycle, situé sur la courbe de saturation, ce qui permet au réservoir de contenir une quantité de fluide variable en fonction de la masse totale de fluide dans le circuit. Selon l'invention, ce même résultat peut être obtenu dans une boucle telle que définie en introduction, en interposant entre le condenseur et le réservoir un dispositif de prédé- tente propre à produire une perte de charge comprise entre 1,5 et 14 bars de manière à ramener la pression du fluide jusqu'à sa pression de vapeur saturante. Le dispositif de prédétente amène le fluide de l'état thermodynamique correspondant au point E à celui correspon- dant au point F, situé de nouveau sur la courbe de satura- tion, état dans lequel se trouve par conséquent le fluide contenu dans le réservoir séparateur. Le détendeur amène ensuite le fluide du point F au point G. Il est également connu par JP-A-93223365 d'interposer entre le condenseur et le réservoir un dispositif produisant une perte de charge. Cependant, il ne résulte pas de ce document que cette perte de charge ramène la pression du fluide jusqu'à sa pression de vapeur saturante. En outre, les seules valeurs divulguées pour la perte de charge sont 0,5 et 1,0 kg/cm2, cette dernière valeur entraînant une perte substan- tielle de la capacité de refroidissement de la boucle. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémen- taires ou alternatives, sont énoncées ci-après: - Le dispositif de prédétente est propre à produire une perte de charge comprise entre 4 et 10 bars. - Le dispositif de prédétente comporte un étranglement définissant une section de passage minimale comprise entre 0,2 et 7 mm2 environ dans une conduite parcourue par la totalité du débit de fluide sortant du condenseur. - La section de passage conserve sensiblement sa valeur minimale sur une longueur comprise entre 0,1 et 5 mm. - La section de passage minimale ne dépasse pas 50 % de la section de passage de la conduite en amont et/ou en aval de l'étranglement. - La section de passage diminue progressivement dans une région initiale de l'étranglement, conserve sensiblement sa valeur minimale dans une région intermédiaire et augmente progressivement dans une région finale. - L'étranglement est formé par un insert introduit dans une conduite sensiblement cylindrique. - L'étranglement est formé par un épaississement de la paroi d'une conduite sensiblement cylindrique. - Le passage étranglé est adjacent à la paroi cylindrique. - Le passage étranglé est sensiblement centré par rapport à la paroi cylindrique. - L'étranglement est formé par une rondelle sertie dans la conduite. - Le dispositif de prédétente est logé dans une tubulure de sortie montée sur une boîte collectrice du condenseur. - Ladite tubulure de sortie est contenue dans le réservoir séparateur et débouche dans un espace de rassemblement de gaz de celui-ci. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un diagramme thermodynamique qui a déjà été commenté ci-dessus; - la figure 2 est un diagramme montrant la variation du degré de sous- refroidissement produit par le condenseur en fonction de la masse de fluide dans une boucle selon l'invention; - la figure 3 est un schéma d'une boucle de fluide réfrigé- rant selon l'invention; - la figure 4 est un diagramme montrant la variation de la puissance frigorifique d'une boucle selon l'invention en fonction de la perte de charge produite par le dispositif de prédétente; la figure 5 est une représentation schématique d'un condenseur présentant une boite collectrice de sortie et une tubulure de sortie qui peuvent l'une ou l'autre recevoir un dispositif de prédétente selon l'invention; les figures 6 à 8 sont des représentations schématiques montrant différentes manières de réaliser un étranglement dans la tubulure de sortie; et - la figure 9 est une représentation schématique d'un sous- ensemble monobloc comprenant un condenseur, un dispositif de prédétente et un réservoir séparateur. La boucle 1 représentée schématiquement sur la figure 3 comprend un compresseur 2, un condenseur 3, un dispositif de prédétente 4, un réservoir séparateur ou "bouteille" 5, un détendeur 6 et un évaporateur 7, parcourus dans cet ordre par le fluide réfrigérant. La partie inférieure du réservoir 5 est remplie de fluide à l'état liquide, le gaz résiduel pénétrant dans le réservoir reste au-dessus du niveau de liquide et seul du fluide à l'état liquide est prélevé au- dessous de ce niveau pour être envoyé vers le détendeur 6. Dans le condenseur 3 sont indiquées schématiquement une partie de désurchauffe 3-1 o le fluide à l'état gazeux provenant du compresseur est refroidi jusqu'à la température d'équilibre liquide-gaz, une partie de condensation 3-2 o le fluide est condensé à la température d'équilibre, et une partie de sous-refroidissement 3-3 o le fluide à l'état liquide est refroidi au-dessous de la température d'équili- bre. De même, l'évaporateur 7 comprend une partie de vapori- sation 7-1 et une partie de surchauffe 7-2. La figure 2 fournit une courbe représentative de la variation de la différence AT entre la température d'équilibre liqui- de/gaz dans le condenseur (température de condensation) et la température du fluide à la sortie du condenseur, après sous- refroidissement, en fonction de la masse m de fluide contenue dans une boucle selon l'invention. Cette courbe est formée d'une première partie ascendante jusqu'à une valeur m1, d'une seconde partie horizontale de m1 à m2 et d'une troisième partie ascendante au-delà de m2. Le palier est obtenu grâce à la variation de la quantité de fluide contenue dans le réservoir 5, les valeurs mi et m2 correspondant respectivement aux niveaux minimal et maximal de liquide dans celui-ci. Le degré de sous-refroidissement, et par conséquent les perfor- mances de la boucle, restent sensiblement constants jusqu'à ce que les fuites ramènent la masse de fluide à mi. La masse initiale de fluide est choisie de préférence au voisinage de m2 de manière que la durée de fonctionnement stable soit la plus longue possible. La longueur du palier est elle-même fonction de la capacité de séparation liquide/gaz et du volume du réservoir. Pour la boucle classique évoquée plus haut dans laquelle l'état thermodynamique du fluide dans le réservoir séparateur correspond au point E du cycle, le palier de la courbe de la figure 2 n'existe pas et le degré de sous-refroidissement varie de façon continue avec la quantité de fluide. Dans le schéma de la figure 3, le dispositif de prédétente est représenté à titre d'exemple sous la forme d'un dia- phragme 4-1 disposé en travers du trajet du fluide et présen- tant un orifice 4-2. Comme montré, le condenseur 3, le dispositif de prédétente 4 et le réservoir 5 peuvent être disposés à distance les uns des autres et reliés entre eux par des conduites de liaison. Le dispositif de prédétente, quelles que soient sa forme et sa position, améliore la puissance frigorifique fournie par la boucle de climatisation, comme le montre la courbe de la figure 4, qui représente la variation de cette puissance en fonction de la perte de charge produite par le dispositif de prédétente. On constate que la puissance frigorifique passe par un maximum pour une perte de charge de 9 bars, une amélioration étant observée, par rapport à l'absence de dispositif de prédétente, au moins dans le domaine de 1,5 à 14 bars, et plus particulièrement dans le domaine de 4 à bars. La figure 5 montre schématiquement un condenseur comprenant une boîte collectrice d'entrée 10 munie d'une tubulure d'entrée 11, une boite collectrice de sortie 12 munie d'une tubulure de sortie 13 et un faisceau de tubes 14 par lequel le fluide circule entre différentes chambres formées dans les boites collectrices. Le dispositif de prédétente de l'inven- tion peut avantageusement être logé soit dans la boîte collectrice 12, soit dans la tubulure 13, dans la zone A o celles-ci se raccordent. La figure 6 montre un dispositif de prédétente formé par un insert 20 introduit dans la tubulure de sortie 13 et appliqué contre la paroi cylindrique de celle-ci, sur une fraction de son périmètre, en laissant subsister un passage étranglé 21 adjacent à la partie restante du périmètre de la paroi. Le passage 21 présente une section de passage minimale S2 qui ne dépasse pas 50 % de la section de passage S1 de la conduite 13 en amont et en aval de l'insert 20, la section S2 étant avantageusement comprise entre 0,2 et 7 mm2 environ. Dans le plan de la figure, l'insert 20 présente un profil trapézoïdal grâce auquel la section de passage diminue progressivement dans une région initiale de l'étranglement, conserve sa valeur minimale dans une région intermédiaire et augmente progressivement dans une région finale. Dans la variante de la figure 7, l'insert 20 est remplacé par une rondelle 22 disposée en travers de la tubulure 13 et présentant un trou central 23 définissant un passage étranglé dont la section de passage est ici constante et remplit les conditions indiquées à propos de la section de passage minimale de l'étranglement 21. La longueur de l'étranglement 23, c'est-à-dire l'épaisseur de la rondelle 22 est comprise entre 0,1 et 5 mm. La rondelle 22 peut être fixée par sertissage, en déformant la paroi mince de la tubulure 13 de part et d'autre de son épaisseur. La figure 8 montre une tubulure de sortie 13 à paroi épaisse, par exemple moulée, fixée mécaniquement sur la boîte de sortie 12 du condenseur. La tubulure 13 présente une nervure circonférentielle interne 24 laissant subsister un passage central de section réduite. La nervure 24 présente un profil trapézoïdal grâce auquel la section de passage de l'étrangle- ment 25 varie de manière analogue à celle de l'étranglement 21. La figure 9 montre un condenseur 3 semblable à celui de la figure 5 et un réservoir séparateur 5 accolé à la boite collectrice de sortie 12, la boite 12 et le réservoir 5 étant allongés verticalement. La tubulure de sortie 13 est logée dans le réservoir 5 et s'incurve de manière à s'étendre vers le haut et à déboucher à la partie supérieure du réservoir, dans un espace 30 o se rassemble le gaz résiduel sortant du condenseur. L'espace 30 est séparé de l'espace inférieur 31 du réservoir par une zone de filtration 32 qui est traversée par la tubulure 13. Le fluide à l'état liquide sort du réservoir par une tubulure inférieure 33 communiquant avec l'espace 31. Le dispositif de prédétente 4 est interposé sur la tubulure 13 et par conséquent logé dans le réservoir 5. Revendications 1. Boucle (1) de fluide réfrigérant, notamment pour une installation de climatisation de l'habitacle d'un véhicule, comprenant un compresseur (2) propre à élever la pression du fluide à l'état gazeux, un condenseur (3) propre à condenser le fluide comprimé par le compresseur et à le sous-refroidir à l'état liquide, un dispositif de prédétente (4) propre à abaisser la pression du fluide sortant du condenseur, avant son passage dans un réservoir séparateur (5) propre à séparer le gaz résiduel du fluide à l'état liquide provenant du condenseur, un détendeur (6) propre à abaisser la pression du fluide sortant du réservoir et un évaporateur (7) propre à faire passer le fluide provenant du détendeur de l'état liquide à l'état gazeux avant son retour au compresseur (2), caractérisée en ce que le dispositif de prédétente est propre à produire une perte de charge comprise entre 1,5 et 14 bars de manière à ramener la pression du fluide jusqu'à sa pression de vapeur saturante. 2. Boucle selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de prédétente est propre à produire une perte de charge comprise entre 4 et 10 bars. 3. Boucle selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de prédétente comporte un étranglement (21) définissant une section de passage minimale (S2) comprise entre 0,2 et 7 mm2 environ dans une conduite (13) parcourue par la totalité du débit de fluide sortant du condenseur (3). 4. Boucle selon la revendication 3, caractérisée en ce que la section de passage conserve sensiblement sa valeur minimale (S2) sur une longueur comprise entre 0,1 et 5 mm. 5. Boucle selon l'une des revendications 3 et 4, caractéri- sée en ce que la section de passage minimale (S2) ne dépasse pas 50 % de la section de passage (Si) de la conduite en amont et/ou en aval de l'étranglement. 6. Boucle selon l'une des revendications 3 à 5, caractéri- sée en ce que la section de passage diminue progressivement dans une région initiale de l'étranglement, conserve sensi- blement sa valeur minimale dans une région intermédiaire et augmente progressivement dans une région finale. 7. Boucle selon l'une des revendications 3 à 6, caractéri- sée en ce que l'étranglement (21) est formé par un insert (20) introduit dans une conduite (13) sensiblement cylindri- que. 8. Boucle selon l'une des revendications 3 à 6, caractéri- sée en ce que l'étranglement (25) est formé par un épaissis- sement (24) de la paroi d'une conduite (13) sensiblement cylindrique. 9. Boucle selon l'une des revendications 7 et 8, caractéri- sée en ce que le passage étranglé (21) est adjacent à la paroi cylindrique (13). 10. Boucle selon l'une des revendications 7 et 8, caractéri- sée en ce que le passage étranglé (23) est sensiblement centré par rapport à la paroi cylindrique (13). 11. Boucle selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'étranglement (23) est formé par une rondelle (22) sertie dans la conduite (13). 12. Boucle selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de prédétente est logé dans une tubulure de sortie (13) montée sur une boite collectrice (12) du condenseur. 13. Boucle selon la revendication 12, caractérisée en ce que ladite tubulure de sortie (13) est contenue dans le réservoir séparateur (5) et débouche dans un espace de rassemblement de gaz (30) de celui-ci.