Brevet FR2802291A1 — publié le 20010615

Circuit de climatisation, notamment pour véhicule automobile L'invention concerne un circuit de climatisation, notamment pour véhicule automobile. Un circuit de climatisation conventionnel est parcouru par un fluide réfrigérant, généralement un composé fluoré, qui est présent sous deux phases différentes, à savoir une phase gazeuse et une phase liquide. Un tel circuit comprend, pour l'essentiel, un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur parcourus, dans cet ordre, par le fluide réfrigérant. Le fluide réfrigérant en phase gazeuse est comprimé par le compresseur, transformé ensuite en phase liquide dans le condenseur qui est balayé par un flux d'air, puis détendu à basse pression par le détendeur et, finalement, transformé en phase vapeur dans l'évaporateur, lequel est traversé par un flux d'air, et ainsi de suite. Dans l'évaporateur, le fluide réfrigérant absorbe de la chaleur d'un flux d'air qui est ainsi refroidi pour être envoyé par exemple dans l'habitable d'un véhicule automobile. On connaît aussi des circuits de climatisation qui fonction- nent avec des fluides réfrigérants naturels, comme par exemple du dioxyde de carbone (CO2), selon un cycle dit "supercritique", étant donné que le fluide réfrigérant n'est présent que sous une seule phase, à savoir une phase gazeuse, et non pas sous deux phases comme dans le cas des circuits de climatisation conventionnels. Un circuit de climatisation fonctionnant selon un cycle supercritique comprend, pour l'essentiel, un compresseur, un refroidisseur à gaz (encore appelé "gas cooler"), un échan- geur de chaleur interne, un détendeur, un évaporateur et un accumulateur. Ainsi, le condenseur conventionnel est remplacé par un refroidisseur à gaz qui libère de la chaleur sous une haute pression variable. Dans un circuit de climatisation conventionnel, il est prévu habituellement, soit une bouteille placée entre le compres- seur et le condenseur, soit un accumulateur placé entre l'évaporateur et le compresseur, si bien qu'il n'est pas possible d'exercer un contrôle du sous-refroidissement du fluide réfrigérant en sortie du condenseur. Pour surmonter cet inconvénient, diverses techniques de contrôle et d'amélioration du sous-refroidissement ont été proposées. Dans une première solution, le sous-refroidissement est forcé par l'utilisation d'un troisième échangeur de chaleur placé après la bouteille. On forme ainsi un ensemble condenseur, bouteille et module de sous-refroidissement qui peut être regroupé dans un seul module. Selon une deuxième solution, le sous-refroidissement est forcé par l'utilisation d'un organe de détente (à commande interne ou externe) placé entre la bouteille et le conden- seur. Dans une troisième solution, on utilise un échangeur de chaleur interne qui refroidit le liquide chaud à la sortie du condenseur par les gaz frais à la sortie de l'évaporateur. La deuxième solution est tout particulièrement appropriée pour fonctionner selon un cycle supercritique avec un fluide réfrigérant naturel, en particulier du dioxyde de carbone. Tous ces circuits de climatisation connus ont notamment pour inconvénient de nécessiter un grand nombre de connexions entre les différents composants du circuit. L'invention a notamment pour but de surmonter un tel inconvé- nient. Elle propose à cet effet un circuit de climatisation du type défini en introduction, dans lequel le condenseur comprend une première sortie reliée à une première branche d'un échangeur de chaleur interne et une deuxième sortie reliée au travers d'un deuxième détendeur à une deuxième branche de l'échangeur de chaleur interne, dans lequel la première branche de l'échangeur de chaleur interne est reliée au détendeur du circuit, tandis que la deuxième branche de l'échangeur de chaleur interne est reliée en amont du compresseur, et dans lequel le condenseur, l'échangeur de chaleur interne et le second détendeur sont agencés sous la forme d'un module unitaire propre à être installé dans le circuit. L'invention permet ainsi d'intégrer, dans un module unitaire, le condenseur, un échangeur interne et un deuxième détendeur. Il en résulte notamment pour avantage une réduction du nombre de connexions, une réduction de la longueur totale des conduits et une modularité. Dans le circuit de l'invention, le fluide réfrigérant est ainsi divisé, en sortie du condenseur, en deux parties, une première partie qui traverse le deuxième détendeur et qui refroidit une deuxième partie du fluide réfrigérant. La première partie sert au sur-refroidissement de la deuxième partie, laquelle est dirigée vers le détendeur. Cette première partie est renvoyée directement vers l'aspiration du compresseur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le module unitaire comprend seulement une entrée et deux sorties. Avantageusement, l'entrée du module unitaire est propre à être reliée à une conduite provenant du compresseur, tandis qu'une première sortie du module unitaire est propre à être reliée à une conduite menant au détendeur, et qu'une deuxième sortie du module unitaire est propre à être reliée à une conduite de dérivation menant à l'entrée du compresseur. Dans une première forme de réalisation de l'invention, le deuxième détendeur est interposé directement entre la deuxième sortie du condenseur et la deuxième branche de l'échangeur de chaleur interne. Dans ce cas, il est avantageux que le circuit comprenne en outre un accumulateur placé entre le module unitaire et le détendeur et/ou une bouteille placée entre l'évaporateur et le compresseur. Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, le module unitaire comprend en outre un accumulateur interposé entre le deuxième détendeur et la deuxième branche de l'échangeur de chaleur. Le deuxième détendeur peut être soit du type à commande externe, soit du type thermostatique. Le circuit de l'invention peut être utilisé avec un fluide réfrigérant présent en phase gazeuse et en phase liquide, le condenseur assurant alors la condensation du fluide réfrigé- rant. Le circuit peut également être utilisé avec un fluide réfrigérant présent seulement en phase gazeuse, selon un cycle supercritique, le condenseur constituant alors un refroidisseur à gaz pour le refroidissement du fluide réfrigérant. Sous un autre aspect, l'invention concerne un module unitaire propre à faire partie d'un circuit de climatisation tel que défini ci-dessus et comprenant un condenseur, un échangeur de chaleur interne et un deuxième détendeur. Dans la description détaillée qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente un circuit de climatisation pour véhicule automobile selon une première forme de réalisation de l'invention; - la figure 2 représente un circuit de climatisation pour véhicule automobile selon une deuxième forme de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue en coupe d'un module propre à faire partie du circuit de climatisation de la figure 1; et - la figure 4 est une vue en coupe d'un module propre à faire partie du circuit de climatisation de la figure 2. Le circuit de climatisation représenté à la figure 1 com- prend, pour l'essentiel, un compresseur 10, un condenseur 12, un détendeur 14 et un évaporateur 16, propres à être parcou- rus, dans cet ordre, par un fluide réfrigérant. Ce circuit de climatisation peut être réalisé sous la forme d'un circuit conventionnel fonctionnant avec un fluide réfrigérant présent sous deux phases, à savoir une phase gazeuse et une phase liquide. Dans ce cas, le fluide réfrigé- rant en phase gazeuse est comprimé par le compresseur 10, transformé en phase liquide dans le condenseur 12 (lequel est balayé par un flux d'air), puis détendu à basse pression par le détendeur 14 et, finalement, transformé en phase vapeur dans l'évaporateur 16, lequel est traversé par un flux d'air F. Ce flux d'air est ainsi refroidi pour être envoyé dans l'habitacle d'un véhicule automobile, sous l'action d'un pulseur 18. Un tel circuit peut aussi fonctionner avec un fluide réfrigé- rant naturel, comme par exemple du dioxyde de carbone, selon un cycle supercritique, dans lequel le fluide réfrigérant est toujours présent en phase gazeuse. En pareil cas, le conden- seur 12 constitue un "refroidisseur à gaz" servant au refroidissement du fluide réfrigérant. Conformément à l'invention, le condenseur 12 fait partie d'un module unitaire 20 comprenant une entrée 22 propre à être reliée à une conduite 24 provenant du compresseur 10. Le condenseur 12 comprend une première sortie 26 reliée à une première branche 28 d'un échangeur de chaleur 30, appelé "échangeur de chaleur interne", et une deuxième sortie 32 reliée, au travers d'un deuxième détendeur 34, à une deuxième branche 36 de l'échangeur de chaleur 30. L'échangeur de chaleur 20 est appelé ici "échangeur de chaleur interne" étant donné qu'il permet de réaliser un échange thermique entre deux parties d'un même fluide, à savoir du fluide réfrigérant. Le condenseur 10 ainsi que l'échangeur de chaleur 30 et le deuxième détendeur 34 font partie du module unitaire 20. Ce dernier comprend en outre une première sortie 38 propre à être reliée à une conduite 40 menant au détendeur 14 et une deuxième sortie 42 propre à être reliée à une conduite de dérivation 44 menant à l'entrée du compresseur 10. La conduite 40 aboutit à un accumulateur 46, lequel est relié par une conduite 48 au détendeur 14. Ce détendeur est relié par une conduite 50 à l'évaporateur 16. Cet évaporateur est relié lui-même à une bouteille 52 par une conduite 54. La bouteille 52 est reliée à l'entrée du compresseur par une conduite 56. La conduite de dérivation 44 débouche dans la conduite 56 en amont du compresseur 10. Il en résulte qu'une première partie du fluide réfrigérant sortant du condenseur 12 passe par le détendeur 34 pour refroidir une deuxième partie du fluide réfrigérant. La première partie du fluide réfrigérant permet ainsi de sur- refroidir la deuxième partie qui se dirige vers le détendeur 14. Cette première partie est renvoyée ainsi directement à l'aspiration du compresseur. Le module 20 constitue ainsi un ensemble prêt à être intégré dans le circuit et comportant seulement une entrée et deux sorties. En outre, ceci permet d'améliorer le sur-refroidis- sement de la partie du fluide réfrigérant qui se dirige vers le détendeur 14 et qui est ensuite renvoyé à l'aspiration du compresseur via l'évaporateur 16 et la bouteille 52. Il est à noter que, dans le circuit de la figure 1, l'un ou l'autre de l'accumulateur 46 et de la bouteille 52 peut être supprimé. Dans un mode d'exécution préférentiel, le détendeur 34 peut être, soit un détendeur à contrôle externe, soit un détendeur thermostatique qui ouvre le passage vers la branche 36 de l'échangeur de chaleur 30, en fonction de la charge thermique de la boucle de circuit. En effet, le besoin de sur-refroidissement ne se manifeste qu'à forte charge thermique. La disposition du module dans la zone du condenseur, qui fait une synthèse entre la température extérieure et la charge thermique du circuit, permet un réglage thermostatique assez facile. Un réglage en fonction de la température de refoulement, ou même de la température de condensation, s'avère suffisant. Il est à noter que l'utilisation d'un détendeur à contrôle externe donne plus de précisions aux actions et conduit à une utilisation plus optimisée du circuit. En outre, la connexion entre l'échangeur de chaleur 30 et l'aspiration du compresseur 10 pourrait comporter un élément de perte de charge pour équilibrer les pressions des deux lignes (conduites 44 et 56) qui convergent vers le compres- seur. On se réfère maintenant à la figure 2 qui représente une forme de réalisation plus élaborée du circuit de climatisa- tion de l'invention. Le circuit de la figure 2 comprend, pour l'essentiel, les mêmes composants que ceux de la figure 1 et les composants communs sont désignés par les mêmes références numériques. La principale différence réside dans le fait que le module 20 comprend un accumulateur 58 interposé entre le deuxième détendeur 34 et la deuxième branche 36 de l'échangeur de chaleur interne 30. En outre, l'accumulateur 46 et la bouteille 52 du circuit de la figure 1 ont été supprimés. Cette forme de réalisation convient tout particulièrement à un fluide réfrigérant naturel, en particulier du dioxyde de carbone, fonctionnant selon un cycle supercritique. Du fait que la ligne haute pression (conduite 24 entre le compresseur 10 et le condenseur 12) est à l'état gazeux, la réserve de fluide réfrigérant doit obligatoirement se faire sur une ligne basse pression. On profite ainsi d'une deuxième ligne basse pression en parallèle avec une ligne principale pour placer l'accumula- teur. La disposition de l'accumulateur 58, en amont de l'échangeur de chaleur 30, assure la surchauffe des gaz qui partent vers le compresseur, ce qui permet d'éviter des risques de panne du compresseur. Il est possible aussi de disposer une bouteille analogue à la bouteille 52 de la figure 1, pour permettre son intégration au module 20. Dans le cas du circuit de la figure 2, le détendeur 34 peut être, soit un détendeur à commande externe, soit un détendeur à commande interne. Lorsque le circuit fonctionne avec un fluide réfrigérant naturel, en particulier du dioxyde de carbone, le contrôle de la boucle s'effectue en fonction de la haute pression. On s'attache à garder cette haute pression à un niveau suffisant pour pouvoir échanger correctement de la chaleur avec l'environnement extérieur. Ceci implique alors l'utilisation d'un détendeur à commande externe. L'utilisation d'un détendeur thermostatique permet le réglage de la haute pression en amont de l'évaporateur et, par conséquent, l'utilisation d'un détendeur à contrôle interne à l'entrée de cet évaporateur. Le module unitaire 20, qui intègre le condenseur 12, l'échan- geur de chaleur 30, le détendeur 34 et, éventuellement, l'accumulateur 58, peut être réalisé par des moyens connus en soi dans la technique des échangeurs de chaleur. La figure 3 représente un exemple de réalisation d'un module unitaire 20 propre à faire partie du circuit de climatisation de la figure 1. Les éléments communs avec le circuit de la figure 1 sont désignés par les mêmes références numériques. Le module unitaire 20 comprend un condenseur 12 formé d'une multiplicité de tubes 58 qui alternent avec des intercalaires ondulés 60 formant ailettes d'échange de chaleur. Les tubes 58 débouchent, d'un côté, dans une boite collectrice 62 et, d'un autre côté, dans une boîte collectrice 64. La boîte collectrice 62 s'étend suivant une direction générale verticale et elle délimite intérieurement, de haut en bas, quatre compartiments successifs 66, 68, 70 et 72. L'entrée 22 du condenseur 12 communique avec le compartiment 68. La boîte collectrice 64 s'étend suivant une direction générale verticale et elle délimite intérieurement, du haut vers le bas, quatre compartiments successifs 74, 76, 78 et 80. Les compartiments 74 et 80 communiquent entre eux par un conduit vertical 82 qui est de préférence intégré dans la boite collectrice. Le fluide réfrigérant circule en plusieurs passes dans les tubes 58 en passant successivement par les compartiments 68, 76, 70, 78, 72 et 80 comme indiqué par les flèches. Ensuite, le fluide réfrigérant gagne le compartiment 74 en passant par le conduit 82, puis le compartiment 66. Au-dessus du condenseur 12 est monté un échangeur de chaleur interne 30 qui est formé d'une première branche 28 réalisée par un faisceau de tubes courts et d'une seconde branche 36 réalisée par un faisceau de tubes longs, les tubes longs étant intercalés avec les tubes courts. Les deux branches 28 et 36 sont disposées entre deux collec- teurs 84 et 86 placés respectivement au-dessus des boîtes collectrices 62 et 64. Le collecteur 84 comprend une paroi latérale 88 dans laquelle débouchent les tubes courts de la première branche 28 et une cloison interne 90 dans laquelle débouchent les tubes longs de la deuxième branche 36. Le collecteur 84 délimite inté- rieurement un compartiment 92 qui fait communiquer le compartiment 66 avec la première branche 28, et un comparti- ment 94 qui fait communiquer la deuxième branche 36 avec la sortie 42. Le collecteur 86 comprend une paroi latérale 96 dans laquelle débouchent les tubes courts de la première branche 28 et une cloison 98 dans laquelle débouchent les tubes longs de la deuxième branche 36. Le collecteur 86 délimite ainsi deux compartiments: un compartiment 100 qui communique avec la première branche et une sortie 38, et un compartiment 102 qui fait communiquer une sortie 32 du conduit 82 avec la deuxième il branche 36. Pour cela, le collecteur 86 comprend, à sa partie inférieure, un conduit d'entrée 104 qui communique avec la sortie 32 prévue dans le conduit 82. Ce conduit 104 loge le détendeur 34. Les sorties 38 et 42 du module unitaire 20 sont prévues respectivement sur le collecteur 86 et sur le collecteur 84. Ainsi, en sortie du condenseur, une partie du fluide réfrigé- rant circule dans la première branche 28 puis quitte le module par la sortie 38 du collecteur 86. Une autre partie du fluide réfrigérant quitte le condenseur par la sortie 32, passe par le détendeur 34 et gagne ensuite la seconde branche 36 pour sortir par la sortie 42 du collecteur 84. Le module unitaire 20 représenté à la figure 4 constitue une variante de celui de la figure 3 et est propre à faire partie du circuit de la figure 2. Les éléments communs avec ceux de la figure 2 sont désignés par les mêmes références numéri- ques. La principale différence par rapport au module de la figure 3 réside dans le fait que la sortie 32 du conduit 82 communi- que avec un accumulateur 58 réalisé sous la forme d'un réservoir qui s'étend dans une direction générale verticale. La sortie 32 loge le détendeur 34. L'accumulateur 58 loge un conduit 106 en U qui possède une entrée 108 placée en partie supérieure et une sortie 110 placée en partie supérieure et communiquant avec le conduit d'entrée 104 du collecteur. Ainsi la deuxième branche 36 de l'échangeur de chaleur interne 30 est alimentée via l'accumulateur 58. Le circuit et le module unitaire de l'invention sont suscep- tibles de nombreuses variantes de réalisation. Leur application n'est pas limitée à la climatisation des véhicules automobiles. Revendications 1. Circuit de climatisation du type comprenant un compres- seur (10), un condenseur (12), un détendeur (14) et un évaporateur (16) propres à être parcourus par un fluide réfrigérant, caractérisé en ce que le condenseur (12) comprend une première sortie (26) reliée à une première branche (28) d'un échangeur de chaleur interne (30) et une deuxième sortie (32) reliée au travers d'un deuxième détendeur (34) à une deuxième branche (36) dudit échangeur de chaleur interne, en ce que la première branche (28) de l'échangeur de chaleur interne est reliée au détendeur (14) du circuit, tandis que la deuxième branche (36) de l'échangeur de chaleur interne est reliée en amont du compresseur (10), et en ce que le condenseur (12), l'échangeur de chaleur interne (30) et le deuxième détendeur (34) sont agencés sous la forme d'un module unitaire (20) propre à être installé dans le circuit. 2. Circuit de climatisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module unitaire (20) comprend seule- ment une entrée (22) et deux sorties (38, 42). 3. Circuit de climatisation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'entrée (22) du module unitaire est propre à être reliée à une conduite (24) provenant du compresseur (10), en ce qu'une première sortie (38) du module unitaire est propre à être reliée à une conduite (40) menant au détendeur (14), et en ce qu'une deuxième sortie (42) du module unitaire est propre à être reliée à une conduite de dérivation (44) menant à l'entrée du compresseur (10). 4. Circuit de climatisation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le deuxième détendeur (34) est interposé directement entre la deuxième sortie (32) du condenseur (12) et la deuxième branche (36) de l'échangeur de chaleur interne (30). 5. Circuit de climatisation selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un accumulateur (46) placé entre le module unitaire (20) et le détendeur (14) et/ou une bouteille (58) placée entre l'évaporateur (16) et le compresseur (10). 6. Circuit de climatisation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le module unitaire (20) comprend en outre un accumulateur (58) interposé entre le deuxième détendeur (34) et la deuxième branche (36) de l'échangeur de chaleur interne (30). 7. Circuit de climatisation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le deuxième détendeur (34) est de type à commande externe. 8. Circuit de climatisation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le deuxième détendeur (34) est de type thermostatique. 9. Circuit de climatisation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant est présent en phase gazeuse et en phase liquide et que le condenseur (12) assure la condensation du fluide réfrigérant. 10. Circuit de climatisation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant est présent seulement en phase gazeuse pour fonctionner selon un cycle supercritique et que le condenseur (12) constitue un refroidisseur à gaz pour le refroidissement du fluide réfrigérant. 11. Module unitaire propre à faire partie d'un circuit de climatisation tel que défini dans l'une des revendications 1 à 10, et comprenant un condenseur (12), un échangeur de chaleur interne (30) et un deuxième détendeur (34).