Brevet FR2774461A1 — publié le 19990806

Dispositif de climatisation, notamment de l'habitacle d'un véhicule automobile, comportant une boucle de fluide réfrigé- rant L'invention concerne un dispositif de climatisation, notamment de l'habitacle d'un véhicule automobile, comportant une boucle de fluide réfrigérant. Une boucle de ce type comprend généralement un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un détendeur, le fluide parcourant ces éléments dans ce sens. L'évaporateur fait passer une partie au moins du fluide de l'état liquide à l'état gazeux, l'air ambiant lui cédant alors une quantité de chaleur positive. C'est ainsi que l'évaporateur de la boucle abaisse la température d'un flux d'air qui le traverse, ce flux étant destiné à refroidir l'habitacle du véhicule. Le compresseur augmente la pression du fluide principalement sous forme de gaz, en sortie de l'évaporateur. Le condenseur, en sortie du compresseur, est propre à faire passer au moins une partie du fluide de l'état gazeux à l'état liquide. Il est apte en outre à refroidir le fluide principalement à l'état liquide (sous-refroidissement). Enfin, le détendeur diminue la pression du fluide en sortie du condenseur. Des boucles de climatisation connues comportent en outre un réservoir de fluide, agencé pour séparer le liquide résiduel du fluide sous forme de gaz en sortie de l'évaporateur. C'est ainsi que le fluide arrivant dans le compresseur est à l'état gazeux. Lorsque la masse totale du fluide réfrigérant contenu dans la boucle diminue, notamment à cause des fuites du circuit, cette diminution s'effectue en particulier au dépens du condenseur. Sa 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. Par conséquent, la puissance calorifique qu'absorbe le fluide dans l'évaporateur par échange thermique est considérablement réduite. L'efficacité thermique de la boucle de climatisation diminue. La présente invention vient améliorer la situation. Elle propose à cet effet un dispositif de climatisation comportant une boucle du type précité, mais comprenant en outre une vanne pour faire varier le débit du fluide entre l'évaporateur et le condenseur. Ainsi, il est possible de gérer la température du fluide en sortie du condenseur, et de là, l'efficacité thermique de la boucle. Par ailleurs, en cas de fuites de fluide, cette vanne peut coopérer avec le réservoir pour rétablir la quantité de fluide en circulation dans la boucle. Avantageusement, elle forme un ensemble monobloc avec le détendeur. En effet, le détendeur comporte une ouverture réglable, et la vanne est intégrée au détendeur, comme dans un détendeur électronique. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif comporte un module de commande pour contrôler l'ouverture et la fermeture de la vanne. Préférentiellement, la boucle est munie d'un capteur en température, propre à transmettre au module de commande, des informations relatives à la température du fluide en un point choisi de la boucle. Le module est alors agencé pour commander l'ouverture et la fermeture de la vanne en fonction de ces informations. Avantageusement, le dispositif comporte des moyens de contrôle externes, propres à coopérer avec le module de commande pour gérer l'ouverture et la fermeture de la vanne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement une installation de climatisation, ventilation et chauffage d'un habitacle de véhicule automobile dans l'exemple décrit, - la figure 2 fournit un diagramme thermodynamique dans un système de coordonnées pression/enthalpie, sur lequel est représenté le cycle d'une boucle de climatisation connue, - la figure 3 représente la variation du degré de sousrefroidissement que produit le condenseur, en fonction de la masse de fluide dans une boucle de climatisation connue, en coordonnées écart en température/masse de fluide, - la figure 4 représente partiellement la boucle de climatisation avec le circuit de commande de la vanne selon l'invention, - la figure 5a fournit le diagramme thermodynamique de la boucle de climatisation lorsque la vanne du dispositif selon l'invention est dans une position de fermeture partielle, - la figure 5b represente schématiquement le niveau de liquide dans le réservoir lorsque la vanne du dispositif selon l'invention est dans une position de fermeture partielle, - la figure 6a fournit le diagramme thermodynamique de la boucle de climatisation lorsque la vanne du dispositif selon l'invention est dans une position intermédiaire d'ouverture partielle, - la figure 6b représente schématiquement le niveau de liquide dans le réservoir lorsque la vanne du dispositif selon l'invention est dans une position intermédiaire d'ouverture partielle, - la figure 7a fournit le diagramme thermodynamique de la boucle de climatisation lorsque la vanne du dispositif selon l'invention est dans une position d'ouverture, et - la figure 7b représente schématiquement le niveau de liquide dans le réservoir lorsque la vanne du dispositif selon l'invention est dans une position d'ouverture. Les dessins contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant. On se réfère tout d'abord à la figure 1 sur laquelle est représentée schématiquement une installation de ventilation, chauffage et climatisation d'un habitacle de véhicule automobile (non représenté) dans l'exemple décrit. Cette installation comporte un circuit de climatisation, en particulier une boucle de fluide réfrigérant 1 en excès, dont l'excédent est emmagasiné dans un réservoir fermé 2. Le réservoir 2 est un réservoir séparateur agencé pour séparer une composante résiduelle liquide du fluide réfrigérant issu de l'évaporateur 6. En sortie du réservoir séparateur 2, le fluide réfrigérant est à l'état gazeux et passe par un compresseur 3 destiné à augmenter la pression du fluide 1. Un condenseur 4 est ensuite apte à faire passer le fluide de l'état gazeux à l'état liquide, tandis qu'un détendeur 5 est habituellement agencé pour diminuer la pression du fluide à l'état liquide issu du condenseur 4. Le fluide 1 à l'état liquide et de pression diminuée traverse enfin l'évaporateur 6, lequel est propre à faire passer le fluide 1 de l'état liquide à l'état gazeux. L'effet résultant de ce changement de phase consiste en un abaissement de la température de l'air au voisinage de l'évaporateur 6 par échange thermique. Enfin, les éléments de la boucle de climatisation sont disposés à distance les uns des autres et reliés entre eux par des conduites de liaison. Dans une installation du type précité, un groupe motoventilateur 7 portant une turbine 8, crée un flux d'air F réfrigéré par passage à travers l'évaporateur 6 et circulant dans un conduit d'entrée d'air 9. Ce conduit 9 se sépare en une branche d'air froid 11 et une branche d'air chaud 12, laquelle contient un radiateur de chauffage 13. Ces deux branches 11 et 12 communiquent en leur sortie vers une chambre de mixage 14. En pratique, un volet de mixage 10 répartit le flux d'air F dans l'une et/ou l'autre des deux branches 11 et 12 suivant des proportions choisies, de manière à obtenir un flux d'air de température ajustée dans la chambre de mixage 14. En sortie de cette chambre de mixage 14, une pluralité de conduits de sortie 15, 16 et 17 (sorties "dégivrage des vitres", sorties "pieds", sorties "visage") communique avec l'habitacle du véhicule automobile. On se réfère maintenant à la figure 2 pour décrire le cycle thermodynamique du fluide réfrigérant 1 dans la boucle de climatisation précitée. La figure 2 est un diagramme tracé dans un système de coordonnées enthalpie H - pression P. Dans ce système, une courbe en forme de cloche enveloppe une zone de coexistence entre liquide et gaz. Le fluide est entièrement à l'état liquide à gauche du flanc gauche de la courbe (basse enthalpie), tandis qu'il est à l'état entièrement gazeux à droite du flanc droit de la courbe (enthalpie élevée). Le cycle a sensiblement la forme d'un trapèze rectangle à bases horizontales. En sortie du réservoir 2, le fluide est entièrement sous forme de gaz, correspondant au point A situé dans la zone gazeuse de la figure 2. Le compresseur 3 amène alors le fluide à l'état gazeux en un point B correspondant à une enthalpie et une pression plus élevées que celles du point A. Le trajet AB du cycle thermodynamique correspond donc à l'action du compresseur 3 sur le fluide réfrigérant 1. Dans le condenseur 4, le fluide parcourt un segment sensiblement horizontal du point B à un point C situé dans la zone liquide. Le segment BC traverse les flancs droit et gauche de la courbe en des points E et F respectivement. Les segments BE, EF et FC correspondent respectivement à une dé-surchauffe du fluide gazeux, à la condensation et à un sous-refroidissement du fluide à l'état liquide. Entre les points C et D du cycle, le fluide 1 subit une diminution de pression par l'action du détendeur 5. A l'entrée de l'évaporateur 6, le fluide se trouve alors au point D situé dans la zone liquide + gaz, correspondant à la même valeur d'enthalpie que le point C et à la même valeur de pression que le point A. Dans l'évaporateur, le cycle du fluide est alors ramené au point A, lequel correspond dans l'exemple à une pression de vapeur saturante en sortie du réservoir 2 (ou bouteille) sur la courbe représentée. En pratique, le condenseur 4 comporte une partie de désurchauffe où le fluide à l'état gazeux provenant du compresseur 3 est refroidi jusqu'à la température d'équilibre liquide-gaz, une partie de condensation où le fluide est condensé à la température d'équilibre gaz/liquide, et une partie de sous-refroidissement où le fluide à l'état liquide est refroidi en-dessous de la température d'équilibre. De même, l'évaporateur 6 comporte une partie de vaporisation et une partie de surchauffe du liquide sous forme de gaz. La figure 3 fournit une courbe représentative de la variation de la différence AT entre la température d'équilibre liquide/gaz dans le condenseur (température de condensation) et la température du fluide à la sortie du condenseur, après sousrefroidissement, en fonction de la masse m de fluide contenue dans la boucle de climatisation. Cette courbe est formée d'une première partie ascendante jusqu'à une valeur ml, d'une seconde partie horizontale (ou palier) 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 la bouteille 2. Les valeurs m1 et m2 correspondent respectivement aux niveaux minimal et maximal de liquide dans celle-ci. Le degré de sous-refroidissement et, par conséquent, les performances de la boucle restent sensiblement constants jusqu'à ce que les variations de masse ramènent la masse du fluide à ml. La longueur du palier est elle-même fonction de la capacité de séparation liquide/gaz et de la quantité de gaz et/ou de liquide dans la bouteille 2. Le palier de la courbe de la figure 3 correspond alors à l'état thermodynamique du fluide dans le réservoir séparateur, au point A du cycle. Selon l'invention, le détendeur 5 comporte une vanne 19 pilotée par un module de commande 18 représenté sur la figure 4. En pratique, le détendeur 5 est un détendeur électronique à ouverture réglable, que commande en tension le module 18. Un tel détendeur est agencé pour faire varier, au moins temporairement, la quantité de fluide présent dans l'évaporateur 6. Cette variation entraîne une fluctuation de la quantité de fluide dans la bouteille 2, laquelle se manifeste par une variation du niveau de liquide dans la bouteille (figure 5b, figure 6b et figure 7b). Par conséquent, la quantité de fluide dans le condenseur 4 est aussi modifiée. Ainsi, lorsque le détendeur du dispositif selon l'invention est en position de fermeture - la quantité de fluide dans l'évaporateur 6 diminue temporairement et une surchauffe temporaire apparaît, - le niveau de liquide dans la bouteille 2 diminue puisque le fluide en sortie de l'évaporateur 6 est sous forme de gaz (figure 5b), - en même temps, la charge de fluide dans le condenseur 4 augmente, ce qui a pour effet d'entraîner un accroissement du sous-refroidissement, - le débit dans la boucle se stabilise ensuite à une valeur sensiblement égale à celle du débit antérieur à l'opération de fermeture partielle, et - la différence d'enthalpie au niveau de l'évaporateur (segment DA) augmente (figure 5a). Par conséquent, la puissance d'échange calorifique avec l'air avoisinant l'évaporateur 6 augmente. La température de l'air baignant l'évaporateur est abaissée. Lorsque le détendeur 5 de l'invention est en position intermédiaire dans laquelle son ouverture est partielle - la quantité de fluide réfrigérant 1 dans l'évaporateur 6 est temporairement accrue, - une partie du fluide est non surchauffée ou même non vaporisée, - le niveau du liquide dans la bouteille augmente (figure 6b), - parallèlement, la charge du condenseur diminue, le sousrefroidissement du fluide dans le condenseur 4 décroît jusqu'à annulation, le point C du cycle appartenant à la courbe en forme de cloche (figure 6a), - le débit de fluide se stabilise enfin à une valeur sensiblement égale à celle du débit antérieur, et - la différence d'enthalpie du fluide dans l'évaporateur 6 diminue. Par conséquent, l'efficacité thermique produite par le système est diminuée par rapport au cas précédent. Enfin, lorsque le détendeur est dans une position d'ouverture totale - la quantité de fluide dans l'évaporateur est temporairement accrue, - en sortie de l'évaporateur 6, une grande partie du fluide n'est pas surchauffée, ni même vaporisée, - le niveau de liquide dans la bouteille augmente (figure 7b), - en sortie du condenseur 4, une grande partie du fluide n'est plus sur-refroidie, ni même condensée, - le débit de fluide se stabilise à une valeur sensiblement égale à celle du débit antérieur, et - la différence d'enthalpie au niveau de l'évaporateur 6 diminue encore. Par conséquent, l'efficacité thermique produite par le système est encore diminuée. Dans le premier cas décrit (fermeture partielle du détendeur), l'accroissement de l'efficacité thermique de la boucle n'est effective que jusqu'à une position optimale du détendeur. En effet, au delà de cette position de fermeture optimale, l'efficacité thermique décroît à nouveau. Cette position optimale peut être déterminée grâce à une indication de sousrefroidissement. Avantageusement, la boucle du dispositif selon l'invention comporte, en sortie du condenseur 4, un capteur de température pour donner des indications relatives au sous-refroidissement du fluide. Le module de commande 18 est connecté à ce capteur 20, de manière à contrôler la répartition de la charge du fluide réfrigérant 1 dans la boucle. Par ailleurs, dans le cas où une telle boucle présente des fuites de fluide en l'un de ses éléments, le module de commande 18 permet de compenser ces fuites en régulant le débit de fluide dans la boucle. Dans l'exemple décrit, le module de commande 18 prend son information à partir du capteur 20, tout en étant connecté à des moyens de contrôle externes, par exemple un organe de commande 21 logé dans la planche de bord du véhicule (non représentée) et à disposition d'un passager situé dans l'habitacle. Ces moyens de contrôle externes émettent un ordre au module de commande 18 sous la forme d'une consigne de température souhaitée dans l'habitacle et correspondant alors à une efficacité thermique donnée. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite précédemment à titre d'exemple, elle s'é- tend à d'autres variantes. Ainsi, on comprendra que le module de commande 18 peut prendre ses informations à partir d'un capteur et/ou à partir d'un organe de commande du type précité. Enfin, l'invention ne vise pas seulement une application à un véhicule automobile. Revendications 1. Dispositif de climatisation, notamment d'un habitacle d'un véhicule automobile, comportant une boucle de fluide réfrigérant (1) du type comprenant - un évaporateur (6) propre à faire passer au moins une partie du fluide (1) de l'état liquide à l'état gazeux, - un réservoir (2) agencé pour séparer le liquide résiduel du fluide en sortie de l'évaporateur (6), - un compresseur (3) propre à augmenter la pression du fluide à l'état gazeux, - un condenseur (4) propre à faire passer au moins une partie du fluide (1) de l'état gazeux à l'état liquide, et apte en outre à refroidir le fluide à l'état liquide, et - un détendeur (5) propre à diminuer la pression du fluide à l'état liquide en sortie du condenseur (4), caractérisé en ce que la boucle comporte en outre une vanne (19,5) propre à faire varier le débit du fluide entre l'évaporateur (6) et le condenseur (4), ce qui permet de gérer la température du fluide en sortie du condenseur (4), et par conséquent, l'efficacité thermique de la boucle. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détendeur (4) et la vanne (19) forment un ensemble monobloc. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le détendeur (5) comporte une ouverture réglable, et en ce que ladite vanne est intégrée au détendeur (5). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un module de commande (18), propre à commander l'ouverture et la fermeture de la vanne (19). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vanne (19) est électronique, tandis que le module de commande (18) est agencé pour commander en tension la vanne (19) - 6. Dispositif selon lune des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la boucle est munie en outre d'un capteur de température du fluide (21), propre à transmettre au module de commande (18) des informations relatives à la température du fluide en un point choisi de la boucle, et en ce que le module (18) est agencé pour commander l'ouverture et la fermeture de la vanne (19) en fonction desdites informations. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le capteur (21) est disposé en sortie du condenseur (4) dans la boucle. 8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de contrôle externes (21), propres à coopérer avec le module de commande (18) pour gérer l'ouverture et la fermeture de la vanne (19). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de contrôle externes comportent un organe de commande (21), logé dans la planche de bord du véhicule, à disposition d'un passager situé dans l'habitacle.