Brevet FR2781040A1 — publié le 20000114

l Arrière plan de l'invention La présente invention concerne une soupape d'ex- pansion thermostatique incluse dans un cycle de réfrigération pour l'expansion d'un réfrigérant contenu dans le cycle de réfrigération. La soupape d'expansion thermostatique est très largement mais principalement utilisée pour un système à cy- cle de réfrigération tel qu'un climatiseur d'automobile. La soupape d'expansion thermostatique, dans une technologie antérieure, comprend un passage de réfrigérant pour guider le réfrigérant dans une direction prédéterminée, un siège de soupape divisant le passage de réfrigérant en une chambre haute pression et une chambre basse pression, un corps de soupape pouvant se déplacer dans la chambre haute pression pour régler le débit du réfrigérant en coopération avec le siège de soupape, et un dispositif de commande pour commander le mouvement du corps de soupape en réponse à la température du réfrigérant. En se référant à la figure 4, on décrira une sou- pape d'expansion thermostatique du type indiqué ci-dessus. La soupape d'expansion thermostatique est généralement utilisée pour un système de climatisation d'automobile ou de voiture, utilisant un compresseur à volume variable du type à commande de course de piston tel qu'un compresseur de type à plateau batteur. La soupape d'expansion thermostatique comporte un carter 1, un bloc de soupape d'expansion 2 et un élément de fermeture 3 dans le carter 1. Dans le carter 1 sont prévus un passage haute pression 11 qui sert de passage de réfrigérant se dirigeant vers un évaporateur 4 pour le réfrigérant haute pression déchargé d'une chambre de décharge du compresseur, des passages basse pression 12, 12 qui servent de passage se dirigeant vers une chambre d'aspiration du compresseur pour le réfrigérant basse pression déchargé de l'évaporateur 4, et une partie d'insertion de bloc de soupape 13 qui est disposée entre les passages basse pression 12. L'élément de fermeture 3 est placé à la partie supérieure de la partie d'insertion de bloc de soupape 13 de façon qu'une extrémité de la soupape d'expansion 2 soit adaptable par l'utilisation d'un élément d'engagement. Le bloc de soupape d'expansion 2 comporte un siège de soupape 200a placé pour former une chambre haute pression 200a et un port 200b dans le passage haute pression 11 du carter 1, un boîtier de soupape 200 disposé au centre du carter 1 pour fermer un passage entre le passage haute pression 11 et la partie d'insertion de bloc de soupape 13, un corps de soupape 201 disposé dans la chambre haute pres- sion 10 et venant en contact avec le siège de soupape 200a ou étant écarté de celui-ci, de manière à fermer/ouvrir un pas- sage se dirigeant vers l'évaporateur 4 en passant par le pas- sage haute pression 11, le siège de soupape 200a et le port b, un ressort 203 pour pousser le corps de soupape 201 dans la direction de fermeture de la soupape (direction vers le haut dans l'illustration de la figure 4) par l'intermé- diaire d'un élément de guidage 202, et une vis de réglage 204 pour régler la force de pression du ressort 203. De plus, on utilise une partie de détection de température 205 qui est disposée dans la partie d'insertion de bloc de soupape 13 du carter 1 de façon qu'une partie d'extrémité de la partie de détection de température 205 soit montée sur l'élément de fermeture 3, et qui est disposée au milieu du passage basse pression 12 se dirigeant de la partie de sortie de l'évaporateur 4 vers la chambre d'aspiration (ou d'entrée) du compresseur, ainsi qu'en outre un diaphragme 206 déplacé suivant la différence de pression entre la pression intérieure de la partie de détection de température 205 et la pression à la sortie de l'évaporateur 4, une tige de trans- mission 207 montée mobile sur le boîtier de soupape 200 de façon que l'une de ses extrémités vienne en contact avec le diaphragme 206 et que son autre extrémité soit munie du corps de soupape 201 pour que ce corps de soupape 201 soit ou- vert/fermé suivant le déplacement du diaphragme 206, et un ressort 208 pour pousser la tige de transmission 207 vers le diaphragme 206. La combinaison de la partie de détection de température 205, du diaphragme 206, de la tige de transmis- sion 207 et du ressort 208, est appelée dispositif de com- mande. Le bloc de soupape d'expansion 2 comporte un pas- sage 200c à l'endroit du boîtier de soupape 200, de façon que le diaphragme 206 reçoive ou soit actionné par la pression provenant de l'évaporateur 4 par le passage 200c. Un réfrigérant (R134a) et un adsorbant (huile) sont enfermés de manière étanche dans la partie de détection de température 205 qui est exposée au réfrigérant provenant de la sortie de l'évaporateur 4, et la pression dans la par- tie de détection de température 205 est établie pour varier suivant la température du réfrigérant provenant de la sortie de l'évaporateur 4. Grâce à la structure décrite ci-dessus, on déter- mine une caractéristique de degré de surchauffe par la force due à la différence des pressions appliquées aux deux surfa- ces du diaphragme 206 (c'est à dire la différence entre la force de pression du diaphragme 206 vers le corps de soupape 201 et la force agissant dans le sens de l'ouver- ture/fermeture de soupape du corps de soupape 201), et par la force du ressort 203. La figure 5 représente une caractéristique de température ( C)-pression (kg/cm2G) sous une condition de pression prédéterminée de l'entrée de la soupape d'expansion thermostatique décrite ci-dessus. A la figure 5, la caracté- ristique Cl relative à la soupape d'expansion représente une ligne droite montrant que la pression augmente proportionnel- lement à l'élévation de la température, tandis que la carac- téristique C2 relative au réfrigérant (R134a) représente une courbe montrant que la pression varie progressivement et aug- mente avec l'élévation de la température. Comme on peut le voir à la figure 5, il est indiqué que la caractéristique Cl coupe la caractéristique C2. Ainsi, en comparant la caractéristique Cl à la caractéristique C2, si les températures sont comparées en se référant à une élévation de pression atteignant 2,0 kg/cm2G, la température de la caractéristique Cl représente 0 C tandis que la température de la caractéristique C2 représente une valeur de température légèrement supérieure à 0 C. Cependant, si les températures sont ensuite comparées en se référant à une élévation de pression atteignant 2,7 kg/cm2G, la tempéra- ture de la caractéristique Cl représente 100C tandis que la température de la caractéristique C2 représente une valeur de température inférieure à 100C de A T. Ainsi, la relation en- tre les températures, et la pression est inversée à une tem- pérature supérieure à 0 C et autour de 1,2 C, pour former un seuil d'équilibre ou un point de croisement. Cela a pour but d'obtenir une limitation de contrainte d'une soupape d'expan- sion, en particulier dans une plage de températures basses et moyennes, et de renvoyer le réfrigérant (comprenant une huile) au compresseur, car le compresseur se trouve en fonc- tionnement continu vers une plage de températures extérieures basses, et la quantité de réfrigérant en circulation est ex- trêmement réduite dans cette zone. Dans le cas de la soupape d'expansion thermosta- tique décrite ci-dessus, la caractéristique Cl de la soupape d'expansion est située dans une position plus haute que la caractéristique C2 du réfrigérant dans la zone de température inférieure au point de croisement. Dans cet état, la soupape d'expansion est toujours ouverte et le côté haute pression, de même que le côté basse pression, ne sont pas fermés ou coupés même dans l'état suspendu du compresseur. Par suite, le réfrigérant ayant été piégé du côté haute pression du fait du changement de la température à l'intérieur et à l'exté- rieur du véhicule, est entraîné vers le côté basse pression à travers la soupape d'expansion, de sorte qu'il est vraisem- blable qu'une grande quantité du réfrigérant est stockée à l'intérieur du compresseur lui-même et dans son passage d'as- piration. Si, dans cet état, on fait fonctionner le compres- seur, il se produit une compression de liquide qui cause de sérieux problèmes tels qu'une détérioration et une rupture du compresseur. Par suite, il est nécessaire d'éviter les cas o le réfrigérant liquide est délivré depuis le côté de la sou- pape d'expansion thermostatique, vers le compresseur lui-même et/ou son passage d'aspiration. Résumé de l'invention La présente invention a pour but de créer une soupape d'expansion thermostatique qui permette d'éviter tout mouvement du réfrigérant depuis le côté haute pression vers le côté basse pression, dans la zone des températures exté- rieures basses, tout en conservant les caractéristiques de température-pression. D'autres buts de la présente invention apparaî- tront clairement au cours de la description. A cet effet, la présente invention concerne une soupape d'expansion thermostatique incluse dans un cycle de réfrigération pour l'expansion d'un réfrigérant contenu dans le cycle de réfrigération, caractérisée en ce qu'elle com- prend un passage de réfrigérant pour guider le réfrigérant dans une direction prédéterminée, un siège de soupape divi- sant le passage de réfrigérant en une chambre haute pression et une chambre basse pression, un corps de soupape pouvant se déplacer dans la chambre haute pression pour régler l'écoule- ment du réfrigérant en coopération avec le siège de soupape, et des moyens de commande pour commander le mouvement du corps de soupape en réponse à la température du réfrigérant. La soupape d'expansion thermostatique comprend en outre un élément de siège placé entre la chambre haute pression et la chambre basse pression de manière à pouvoir se déplacer dans la direction prédéterminée, cet élément de siège étant muni du siège de soupape. Elle comprend aussi des moyens de pous- sée reliés à l'élément de siège, pour pousser cet élément de siège vers la chambre haute pression. Suivant d'autres caractéristiques de l'inven- tion: * l'élément de siège est maintenu en contact avec le corps de soupape lorsque la différence de pression entre la chambre haute pression et la chambre basse pression, est au-dessous d'une valeur prédéterminée, * la soupape comprend en outre une butée pour éviter que l'élément de siège se déplace vers la chambre basse pres- sion dans la direction prédéterminée, cet élément de siège étant maintenu en contact avec la butée lorsque la diffé- rence de pression entre la chambre haute pression et la chambre basse pression est au-dessus d'une valeur prédé- terminée, * les moyens de poussée comprennent un élément de ressort. * l'élément de siège comporte un port faisant communiquer la chambre haute pression avec la chambre basse pression, le siège de soupape venant en face de la chambre haute pres- sion et entourant le port, * l'élément de siège comporte en outre un passage faisant communiquer la chambre haute pression avec la chambre basse pression à l'extérieur du siège de soupape. Brève description des dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation re- présentés sur les dessins annexés dans lesquels: * la figure 1 est une vue en élévation et en coupe d'une soupape d'expansion thermostatique selon un mode de réali- sation de la présente invention, représentant la structure de base de la soupape; * la figure 2 est une vue en coupe, agrandie, d'un morceau de la partie principale de la soupape d'expansion ther- mostatique représentée à la figure 1; * la figure 3 est une vue en coupe, agrandie, d'une partie d'une soupape d'expansion thermostatique selon un autre mode de réalisation de l'invention; * la figure 4 est une vue en élévation et en coupe d'un exemple de la soupape d'expansion thermostatique conven- tionnelle selon une technologie antérieure, représentant la structure de base de la soupape; et * la figure 5 est un graphique représentant les caractéris- tique de température-pression sous une condition de pres- sion d'entrée prédéterminée, de la soupape d'expansion thermostatique représentée à la figure 4. Description du mode de réalisation préférentiel En se référant à la figure 1, on décrira une sou- pape d'expansion thermostatique selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention. Les parties analogues sont désignées par les mêmes références numériques. La soupape d'expansion thermostatique est incluse dans un cycle de réfrigération 5 et sert à l'expansion d'un réfrigérant contenu dans le cycle de réfrigération 5. La sou- pape d'expansion thermostatique convient pour un système de climatisation d'automobiles. Dans le bloc de soupape d'expansion 2, une cham- bre basse pression 14 est confinée séparément dans la chambre haute pression 10. La chambre basse pression 14 et la chambre haute pression 10 sont en communication par le passage haute pression 11. La combinaison des chambres basse pression et haute pression 14 et 10 est considérée comme passage de ré- frigérant servant à guider le réfrigérant dans une direction prédéterminée. La boîtier de soupape 200 est disposé dans une partie centrale du carter 1 et sert à fermer ou couper la communication entre le passage haute pression 11 et la partie d'insertion de bloc de soupape 13. Le corps de soupape 201 est disposé dans la cham- bre haute pression 10 et sert à l'ouverture/fermeture du pas- sage haute pression, directement vers l'évaporateur 4. Le ressort 203 est destiné à pousser le corps de soupape 201 dans le sens de fermeture de la soupape, par l'intermédiaire du guide 202. La vis de réglage 204 est destinée à régler la force du ressort 203. La partie de détection de température 205 est disposée dans le passage basse pression 12 allant de la-sor- tie de l'évaporateur 4 vers la chambre d'aspiration du com- presseur. L'extrémité supérieure de la partie de détection de température 205 est montée sur l'élément de fermeture 3 dans la partie d'insertion de bloc de soupape 13. Le diaphragme 206 peut se déplacer suivant la différence entre la pression régnant dans la partie de détec- tion de température 205, et la pression à la sortie de l'éva- porateur 4. La tige de transmission 207 est supportée de manière mobile par le boîtier de soupape 200 et sert à ouvrir et fermer le corps de soupape 201 suivant le déplacement du diaphragme 206. La tige de transmission 207 vient en contact avec le diaphragme 206 par l'une de ses extrémités, et se fixe au corps de soupape 201 par son autre extrémité. Le ressort 208 est destiné à pousser la tige de transmission 207 contre le diaphragme 206. Le bloc de soupape d'expansion 2 de la soupape d'expansion thermostatique comprend en outre un élément de siège 209 placé entre la chambre haute pression 10 et la chambre basse pression 14, tandis qu'un ressort de compres- sion 210 est interposé entre le boîtier de soupape 200 et l'élément de siège 209. L'élément de siège 209 peut se dépla- cer dans la direction prédéterminée et comporte le siège de soupape 200a venant en face du corps de soupape 201 et entou- rant le port 200b. Ici, l'élément de siège 209 est en contact avec l'élément de soupape 201 lorsque la différence de pres- sion entre la chambre haute pression 10 et la chambre basse pression 14 est au-dessous d'une valeur prédéterminée qui est déterminée en fonction de la force du ressort de compression 210. De cette manière, l'élément de siège 209 sert à empêcher le réfrigérant haute pression de s'écouler dans l'évaporateur 4. Le ressort de compression 210 est disposé dans la chambre basse pression 14 et sert à pousser l'élément de siège vers la chambre haute pression 10 ou vers le corps de soupape 201. Le ressort de compression 210 est appelé dispo- sitif de poussée. On poursuivra la description en se référant à la figure 2. Le bloc de soupape d'expansion 2 de la soupape d'expansion thermostatique comprend en outre une butée 200e pour empêcher l'élément de siège 209 de se déplacer vers la chambre basse pression 14 dans la direction prédéterminée. Par suite, l'élément de siège 209 est maintenu en contact avec la butée 200e lorsque la différence de pression entre la chambre haute pression 10 et la chambre basse pression 14 est supérieure à la valeur prédéterminée. Soit dit en passant, l'intervalle entre l'élément de siège 209 et le boîtier de soupape 200 est formé à la va- leur minimum pour éviter toute fuite du réfrigérant. La rela- tion entre la force de pression (fi) du ressort 203, la force de pression (f2) du ressort 210, et la force de pression (f3) du ressort 208, est déterminée de façon que fl > f2 > f3. Dans la structure décrite ci-dessus, un réfrigé- rant (R134a) et un adsorbant sont enfermés de manière étanche dans la partie de détection de température 205 qui est expo- sée au réfrigérant déchargé de la sortie de l'évaporateur 4, et la pression régnant dans la partie de détection de tempé- rature 205 varie suivant la température du réfrigérant dé- chargé de la sortie de l'évaporateur 4. Dans ce cas, l'élément de siège 209 est déplacé dans la direction dirigée de haut en bas sur la surface de la feuille de la figure 1 du dessin, avec une amplitude correspondant à la différence de pression (A p) entre la chambre haute pression 10 et la cham- bre basse pression 14, ainsi que sous la force du ressort 210. En d'autres termes, si la force produite par la différence de pression (A p) est supérieure à la force du ressort 210, l'élément de siège 209 est déplacé vers le haut sur la figure 1, puis vient en contact avec la butée 200e du boîtier de soupape 200. Dans cet état, l'élément de siège 209 fait corps avec le boîtier de soupape 200, de sorte qu'on peut obtenir les mêmes fonctions qu'avec la soupape d'expan- sion conventionnelle (caractéristique de degré de sur- chauffe). Par suite, dans l'état décrit ci-dessus, la caractéristique de degré de surchauffe est déterminée princi- palement par la force de la pression différentielle entre les deux surfaces du diaphragme 206 (c'est à dire la différence entre la force poussant le diaphragme 206 contre le corps de soupape 201, et la force agissant dans le sens de fermeture de soupape du corps de soupape 201), et par la force du res- sort 203. Si, au contraire, la différence de pression (A p) est inférieure à la force du ressort 210, l'élément de siège 209 est déplacé vers le bas sur la figure 1, tandis que le corps de soupape 201 est ouvert, puis vient en contact avec le corps de soupape 201 comme représenté à la figure 2. Ain- si, le passage haute pression 11 se dirigeant vers l'évapora- teur 4, est fermé. La différence de pression (A p) devient plus pe- tite lorsque la température extérieure diminue, de sorte que, si l'élément de siège 209 est réglé pour fonctionner avec une différence de pression très petite, le côté haute pression et le côté basse pression sont tous deux coupés lorsque la tem- pérature extérieure est basse. Le réfrigérant se déplace du côté haute pression vers le côté basse pression dans la plage des températures extérieures basses, tandis que la caracté- ristique de température-pression est maintenue. En se référant à la figure 3, on décrira une sou- pape d'expansion thermostatique selon un autre mode de réali- sation de la présente invention. Les parties analogues sont désignées par les mêmes références numériques. Dans la soupape d'expansion thermostatique, l'élément de siège 209 comporte au moins un orifice 200f qui s'étend dans la direction prédéterminée pour faire communi- quer la chambre haute pression 10 avec la chambre basse pres- sion 14 à l'extérieur du siège de soupape 200a. L'orifice f est appelé passage. L'élément de siège 209 est en con- tact avec le corps de soupape 201 lorsque la différence de pression entre la chambre haute pression et la chambre basse pression est au- dessous de la valeur prédéterminée. Même dans ce cas, une très petite quantité de réfrigérant haute pres- sion s'écoule de la chambre haute pression 10 vers la chambre basse pression 14 par l'orifice 200f, pour limiter l'écoule- ment du réfrigérant haute pression dans l'évaporateur 4. En d'autres termes, bien que le passage haute pression 11 se dirigeant vers l'évaporateur 4 ne soit pas complètement coupé du fait de l'existence de l'orifice 200f, l'élément de siège 209 est cependant en contact avec le corps de soupape 201. Cependant, la surface d'ouverture de l'ori- fice 200f est suffisamment petite, de manière satisfaisante, par rapport à la surface d'ouverture du port 200b, de sorte que l'écoulement du réfrigérant depuis le côté haute pression vers le côté basse pression est beaucoup plus restreint que dans le cas de la structure représentée à la figure 4. Bien que la présente invention ait été décrite jusqu'ici en se référant à quelques modes de réalisation de celle-ci, il sera facilement possible pour les spécialistes de la question de mettre la présente invention en ouvre de diverses autres manières. Par exemple, une rainure peut être formée à la place de l'orifice sur l'élément de siège, pour faire communiquer la chambre haute pression 10 avec la cham- bre basse pression 14 à l'extérieur du siège de soupape. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Soupape d'expansion thermostatique incluse dans un cycle de réfrigération pour l'expansion d'un réfrigérant contenu dans le cycle de réfrigération, caractérisée en ce qu' elle comprend: * un passage de réfrigérant (14, 10)pour guider le réfrigé- rant dans une direction prédéterminée, * un siège de soupape (200a) divisant le passage de réfrigé- rant en une chambre haute pression (10) et une chambre basse pression (14); * un corps de soupape (201)pouvant se déplacer dans la cham- bre haute pression pour régler l'écoulement du réfrigérant en coopération avec le siège de soupape, et a un dispositif de commande (205, 206, 207, 208) pour com- mander le mouvement du corps de soupape en réponse à la température du réfrigérant, * un élément de siège (209) placé entre la chambre haute pression (10) et la chambre basse pression (14) de manière à pouvoir se déplacer dans la direction prédéterminée, cet élément de siège étant muni du siège de soupape, et, * des moyens de poussée (203, 208, 210), reliés à l'élément de siège pour pousser cet élément de siège vers la chambre haute pression. 2 ) Soupape d'expansion thermostatique selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que l'élément de siège (209) est maintenu en contact avec le corps de soupape (201) lorsque la différence de pression en- tre la chambre haute pression (10) et la chambre basse pres- sion (14), est au-dessous d'une valeur prédéterminée. ) Soupape d'expansion thermostatique selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce qu' elle comprend en outre une butée (200e)pour éviter que l'élé- ment de siège se déplace vers la chambre basse pression dans la direction prédéterminée, cet élément de siège étant main- tenu en contact avec la butée lorsque la différence de pres- sion entre la chambre haute pression et la chambre basse pression est au-dessus d'une valeur prédéterminée. 4 ) Soupape d'expansion thermostatique selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que les moyens de poussée comprennent un élément de ressort (210). ) Soupape d'expansion thermostatique selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que l'élément de siège (209)comporte un port (200b) faisant com- muniquer la chambre haute pression avec la chambre basse pression, le siège de soupape venant en face de la chambre haute pression et entourant le port. 6 ) Soupape d'expansion thermostatique selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que l'élément de siège (209) comporte en outre un passage (200 f) faisant communiquer la chambre haute pression avec la chambre basse pression à l'extérieur du siège de soupape.