Brevet FR2780143A1 — publié le 19991224

Boucle de fluide réfrigérant améliorée pour installation de climatisation de véhicule L'invention concerne une boucle de fluide réfrigérant, notamment pour une installation de climatisation de l'habita- cle d'un véhicule, comprenant un compresseur 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 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 compres- seur. 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 (faible enthalpie) et entièrement à l'état gazeux à droite du flanc droit (enthal- pie élevée). 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 connues du type ci- dessus, 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 sousrefroidissement 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'évapora- teur 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 ci-dessus 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. Le but de l'invention est d'obtenir ce même résultat, dans une boucle telle que définie en introduction. À cet effet, l'invention prévoit qu'une telle boucle de fluide réfrigérant comprend en outre un dispositif de prédétente interposé entre le condenseur et le réservoir, propre à produire une perte de charge dépendant de la pression du fluide en amont du dispositif de prédétente. Le dispositif de prédétente permet d'abaisser la pression du fluide jusqu'à sa pression de vapeur saturante, amenant celui-ci de l'état thermodynamique correspondant au point E à celui correspondant au point F, situé de nouveau sur la courbe de saturation, état dans lequel se trouve par consé- quent le fluide contenu dans le réservoir séparateur. Le détendeur amène ensuite le fluide du point F au point G. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémen- taires ou alternatives, sont énoncées ci-après: - Ladite perte de charge est fonction décroissante de la pression amont. - Le dispositif de prédétente comprend une enceinte déforma- ble contenant un fluide de référence et environnée par le fluide réfrigérant en circulation, les déformations de l'enceinte produites par les variations relatives de pression des deux fluides déplaçant un organe obturateur par rapport à un siège de manière à faire varier la section de passage du fluide entre l'organe obturateur et le siège. - Des moyens de limitation du déplacement de l'organe obtura- teur sont prévus pour maintenir une section de passage minimale. - L'enceinte déformable comporte des première et seconde parois d'extrémités écartées l'une de l'autre dans la direction de circulation du fluide autour de l'enceinte, reliées entre elles par une paroi périphérique déformable, la première paroi étant fixe et la seconde paroi étant mobile conjointement à l'organe d'obturation dans cette même direction. - L'enceinte est entièrement fermée et située en amont de l'organe d'obturation dans le flux de fluide réfrigérant, et contient un fluide de référence en équilibre liquide/gaz. - Le fluide de référence est de même nature que le fluide réfrigérant. L'enceinte est située en aval de l'organe d'obturation dans le flux de fluide réfrigérant, et communique par un conduit avec l'amont de l'organe d'obturation. - Un ressort additionnel agit en outre sur les déformations de l'enceinte. 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 schéma d'une boucle de fluide réfrigé- rant selon l'invention; - la figure 3 est un diagramme montrant la variation de la perte de charge produite par le dispositif de prédétente en fonction de la pression du fluide en amont de celui-ci, dans une boucle selon l'invention; et - les figures 4 et 5 sont des représentations schématiques de deux modes de réalisation du dispositif de prédétente. 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 3 montre une courbe de variation de la perte de charge AP, provoquée par le dispositif de prédétente 4 entre le condenseur 3 et le réservoir 4, en fonction de la pression amont P, c'est-à-dire de la pression du fluide à la sortie du condenseur, permettant un fonctionnement optimal de la boucle 1. AP diminue progressivement lorsque P augmente, en s'approchant asymptotiquement de 0 pour les valeurs élevées de P. Le dispositif de prédétente 4 représenté sur la figure 4 est logé dans une conduite tubulaire T dans laquelle circule le fluide réfrigérant pour aller du condenseur 3 au réservoir 5. Deux cloisons transversales fixes 10 et 11 sont montées dans la conduite T, la cloison 11 étant en aval de la cloison 10 par rapport au sens de circulation du fluide indiqué par des flèches. La cloison 10 est ajourée de façon à permettre le passage du fluide sans perte de charge notable. La cloison 11 est traversée par un orifice central unique 13 dont la section transversale va en diminuant de l'amont vers l'aval. Sur la face aval de la cloison 10 est fixée une première paroi d'extrémité 12 d'une enceinte étanche K remplie d'un fluide de référence 14 en équilibre liquide/gaz, ce fluide de référence pouvant être de même nature que le fluide réfrigé- rant qui circule dans la boucle. La paroi 12 est reliée à une seconde paroi d'extrémité 15, s'étendant comme celle-ci sensiblement selon un plan perpendiculaire à l'axe de la conduite T, par une paroi latérale annulaire 16 en forme de soufflet. Une tige 17 fixée sur la face extérieure de la paroi 15 et s'étendant axialement vers l'aval porte à son extrémité un bouchon 18 présentant une surface annulaire tronconique sensiblement conjuguée de la surface tronconique de l'orifice 18. La position de la paroi 15 résulte de l'équilibre des forces produite sur sa face intérieure par la pression du fluide 14 contenu dans l'enceinte K et sur sa face extérieure par la pression P du fluide réfrigérant en circulation. Pour une température donnée du fluide en circulation, la pression à l'intérieur de l'enceinte est constante et correspond à la pression de vapeur saturante du fluide de référence. Si la pression P augmente, la paroi 15 se déplace vers l'amont, c'est-à- dire vers la gauche de la figure 4, grâce à la déformation du soufflet 16, avec diminution du volume de l'enceinte. Le bouchon 18 se déplace vers l'amont avec la paroi 15, ce qui entraîne une augmentation de la section de passage entre le bouchon et la paroi de l'orifice 13 et une diminution de la perte de charge AP. Inversement, une diminution de la pression du fluide réfrigérant entraîne une diminution de la section de passage et une augmentation de la perte de charge. Une traverse 19 fixée sur la tige 17 limite le déplacement vers l'aval de cette dernière en venant en appui sur la face amont de la cloison 11, maintenant ainsi une section de passage minimale autour du bouchon 18. Sur la figure 5, les mêmes numéros de référence que sur la figure 4 sont utilisés pour désigner des éléments identiques ou analogues. Le dispositif 4 de la figure 5 se différencie de celui de la figure 4 par les points suivants. La cloison portant l'enceinte K est disposée en aval de la cloison 11. Corollairement la paroi d'extrémité mobile 15 de l'en- ceinte est en amont de la paroi d'extrémité fixe 12, et la tige 17 et le bouchon 18 sont également en amont de l'encein- te. En outre, l'enceinte K n'est plus étanche mais communique par un conduit étroit 20 avec le volume 21 situé en amont de la cloison 1il dans la conduite T. Le fluide de référence contenu dans l'enceinte est donc nécessairement identique au fluide réfrigérant en circulation. Dans le dispositif de la figure 5, la pression P du fluide réfrigérant sortant du condenseur agit sur la face interne de l'enceinte. Toute augmentation de cette pression se traduit par un déplacement de la paroi 15, de la tige 17 et du bouchon 18 vers l'amont, c'est-à-dire vers la gauche de la figure, produisant ainsi une augmentation de la section de passage autour du bouchon 18 et une diminution de la perte de charge AP. Les effets inverses se produisent lors d'une diminution de la pres- sion P. La figure 5 montre également un ressort hélicoïdal 22 entou- rant la tige 17 et comprimé entre la cloison 11 et la paroi 15. Un tel ressort peut être utilisé en option pour modifier l'équilibre des forces et par conséquent la forme de la courbe de la figure 3. 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 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 qu'elle comprend en outre un dispositif de prédétente (4) interposé entre le condenseur et le réservoir, propre à produire une perte de charge (AP) dépendant de la pression du fluide (P) en amont du dispositif de prédétente. 2. Boucle selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite perte de charge est fonction décroissante de la pression amont. 3. Boucle selon l'une des revendications 1 et 2, caractéri- sée en ce que le dispositif de prédétente comprend une enceinte déformable (K) contenant un fluide de référence (14) et environnée par le fluide réfrigérant en circulation, les déformations de l'enceinte produites par les variations relatives de pression des deux fluides déplaçant un organe obturateur (18) par rapport à un siège (13) de manière à faire varier la section de passage du fluide entre l'organe obturateur et le siège. 4. Boucle selon la revendication 3, caractérisée en ce que des moyens (19) de limitation du déplacement de l'organe obturateur sont prévus pour maintenir une section de passage minimale. 5. Boucle selon l'une des revendications 3 et 4, caractéri- sée en ce que l'enceinte déformable comporte des première et seconde parois d'extrémités (12, 15) écartées l'une de l'autre dans la direction de circulation du fluide autour de l'enceinte, reliées entre elles par une paroi périphérique déformable (16), la première paroi (12) étant fixe et la seconde paroi (15) étant mobile conjointement à l'organe d'obturation (18) dans cette même direction. 6. Boucle selon l'une des revendications 3 à 5, caractéri- sée en ce que l'enceinte est entièrement fermée et située en amont de l'organe d'obturation dans le flux de fluide réfrigérant, et contient un fluide de référence (14) en équilibre liquide/gaz. 7. Boucle selon la revendication 6, caractérisée en ce que le fluide de référence est de même nature que le fluide réfrigérant. 8. Boucle selon l'une des revendications 3 à 5, caractéri- sée en ce que l'enceinte est située en aval de l'organe d'obturation dans le flux de fluide réfrigérant, et communi- que par un conduit (20) avec l'amont (21) de l'organe d'obturation. 9. Boucle selon l'une des revendications 3 à 8, caractéri- sée en ce qu'un ressort additionnel (22) agit en outre sur les déformations de l'enceinte.