Brevet FR2815397A1 — publié le 20020419

Dispositif de climatisation de véhicule utilisant un cycle supercritique L'invention concerne un dispositif de climatisation, notamment de l'habitacle d'un véhicule, et un procédé de commande d'une boucle de fluide réfrigérant dans un tel dispositif, ladite boucle contenant un compresseur propre à recevoir le fluide à l'état gazeux et à le comprimer, un refroidisseur de fluide propre à refroidir le fluide comprimé par le compresseur, à pression sensiblement constante, en transférant de la chaleur à un premier milieu, un détendeur propre à abaisser la pression du fluide sortant du refroidisseur de fluide en l'amenant au moins en partie à l'état liquide et un évaporateur propre à faire passer à l'état gazeux le fluide à l'état liquide provenant du détendeur, à pression sensiblement constante, en prélevant de la chaleur d'un second milieu pour refroidir l'espace à climatiser, le fluide ainsi vaporisé étant ensuite aspiré par le compresseur, la boucle contenant en outre un échangeur de chaleur interne permettant au fluide circulant dans un premier trajet de l'échangeur interne, entre le refroidisseur de fluide et le détendeur, de céder de la chaleur au fluide circulant dans un second trajet de l'échangeur interne, entre l'évaporateur et le compresseur. Pour éviter les effets néfastes sur l'environnement des composés fluorés utilisés traditionnellement comme fluides réfrigérants dans la climatisation des véhicules automobiles, on préconise l'utilisation du dioxyde de carbone CO2. Ce composé présente une pression critique relativement basse, qui est dépassée lors de la compression du fluide par le compresseur, de sorte que le fluide est ensuite refroidi sans changement de phase par le refroidisseur de fluide qui remplace le condenseur de la boucle traditionnelle. En l'absence de changement de phase, seul l'abaissement de la température du fluide dans le refroidisseur permet une dissipation d'énergie thermique. Cette dissipation s'effectuant généralement dans un flux d'air atmosphérique, il est nécessaire que la température du fluide pénétrant dans le refroidisseur soit sensiblement supérieure à la température atmosphérique. C'est pourquoi on a recours à l'échangeur de chaleur interne, qui permet de réchauffer le fluide lorsqu'il circule entre l'évaporateur et le refroidisseur et de le refroidir lorsqu'il circule entre le refroidisseur et le détendeur. L'efficacité de l'échangeur de chaleur interne, représentée par l'équation [1] dans laquelle Teci, Tsé et Tsr sont respectivement les températures à l'entrée du compresseur, à la sortie de l'évaporateur et à la sortie du refroidisseur, est fonction décroissante du débit de fluide qui le traverse, selon l'équation [2] = a. Qb [2], a et b étant des constantes caractéristiques de l'échangeur interne. Ce qui précède n'est vrai que lorsque l'échangeur de chaleur interne reçoit de l'évaporateur du fluide entièrement à l'état gazeux. Si au contraire il en reçoit du fluide à l'état liquide, son efficacité est fortement réduite. Le but de l'invention est d'optimiser le fonctionnement de la boucle de manière à éviter cet inconvénient. D'autre part, pour que le flux d'air refroidi par l'évaporateur soit à une température homogène, il faut que l'évaporateur ne comporte pas de zone de surchauffe, autrement dit que le fluide se vaporise jusqu'à la fin de son trajet dans l'évaporateur. Un autre but de l'invention est de satisfaire à cette condition. L'invention vise notamment un procédé du genre défini en introduction, et prévoit qu'on surveille une première condition susceptible de révéler la présence de fluide à l'état liquide dans ledit premier trajet, et qu'on réduit le débit du fluide dans la boucle lorsque ladite première condition est satisfaite. Ce mode de régulation, basé sur un principe thermodynamique, permet une stabilisation rapide du régime de la boucle, sans oscillation. Il évite en particulier l'apparition d'un pic de froid en cas d'accélération du véhicule. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou alternatives, sont énoncées ci-après : - Ladite première condition consiste en ce que l'efficacités de l'échangeur de chaleur interne, représentée par l'équation [1] dans laquelle Tecs, Tsé et Tsr sont respectivement les températures à l'entrée du compresseur, à la sortie de l'évaporateur et à la sortie du refroidisseur, est inférieure à une valeur de référence o. - On surveille en outre une seconde condition susceptible de révéler l'existence d'une zone de surchauffe dans l'évaporateur, et on augmente le débit du fluide dans la boucle lorsque ladite seconde condition est satisfaite. - Ladite seconde condition consiste en ce que l'efficacités telle que définie dans la revendication 2 est supérieure ou égale à une valeur de référence T. - On règle le débit du fluide sensiblement à la valeur maximale compatible avec une efficacité non inférieure à la valeur de référence. - On adopte comme valeur de référence, quelle que soit la valeur du débit, la valeur n. prise par l'efficacité lorsque le débit est maximal et que ledit second trajet ne contient pas de fluide à l'état liquide. - On adopte comme valeur de référence, pour une valeur déterminée Qp du débit, la valeur nu prise par l'efficacité lorsque ledit second trajet ne contient pas de fluide à l'état liquide. - On règle le débit en agissant sur le détendeur. - Pour évaluer T) sur la base de l'équation [1], on utilise pour l'une au moins desdites températures une valeur mesurée au moyen d'un capteur en contact thermique avec le fluide. - Pour évaluer # sur la base de l'équation [1], on utilise pour représenter Tsé la température d'un flux d'air ayant balayé l'évaporateur et constituant ledit second milieu. - On compare Tec à une valeur de consigne Tec telle que et on considère que # est inférieure et supérieure à la valeur de référence lorsque Tec est inférieure et supérieure à ladite valeur de consigne respectivement. - Le compresseur est du type à cylindrée variable à commande externe. - Le compresseur comprime le fluide jusqu'à une pression supercritique. L'invention a également pour objet un dispositif de climatisation, notamment de l'habitacle d'un véhicule, propre à la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus, comprenant une boucle de fluide réfrigérant telle que définie, des moyens de surveillance pour surveiller une première condition susceptible de révéler la présence de fluide à l'état liquide dans ledit second trajet, et optionnellement une seconde condition susceptible de révéler l'existence d'une zone de surchauffe dans l'évaporateur, et des moyens pour commander le débit du fluide dans la boucle en fonction du résultat de cette surveillance. Le dispositif selon l'invention peut comporter au moins certaines des particularités suivantes : - Les moyens de surveillance comprennent des moyens pour évaluer les températures Tec'Tsé et Tsr respectivement à l'entrée du compresseur, à la sortie de l'évaporateur et à la sortie du refroidisseur, des moyens pour calculer à partir de celles-ci l'efficacité T) de l'échangeur de chaleur interne, sur la base de l'équation [1] et des moyens pour comparer l'efficacité à une valeur de référence. - Boucle et pour définir à partir de celui-ci ladite valeur de référence. - Les moyens pour évaluer lesdites températures comprennent au moins un capteur de température en contact thermique avec le fluide. - Les moyens pour évaluer la température Tsé comprennent un capteur de température en contact thermique avec un flux d'air ayant balayé l'évaporateur. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés. La figure 1 est un graphique montant la variation de l'efficacité en fonction du débit Q du fluide, pour un échangeur de chaleur interne typique utilisable dans le procédé et dans le dispositif selon l'invention. La figure 2 est un schéma de circuit d'une boucle de fluide réfrigérant appartenant à un dispositif selon l'invention. La figure 3 est un schéma fonctionnel illustrant le procédé et le dispositif selon l'invention. La figure 2 montre la structure connue d'une boucle de climatisation de l'habitacle d'un véhicule automobile utilisant comme fluide réfrigérant le dioxyde de carbone dans un cycle thermodynamique supercritique. Un compresseur 1 comprime le fluide pour l'amener à l'état supercritique, après quoi le fluide traverse un refroidisseur de fluide 2. Le fluide sortant du refroidisseur 2 parcourt un trajet 3-1 d'un échangeur de chaleur interne 3, puis passe par un détendeur 4 pour parvenir à un évaporateur 5. En aval de l'évaporateur, le fluide passe par un réservoir 6 puis parcourt un trajet 3-2 de l'échangeur interne 3 avant de revenir au compresseur 1. Les trajets 3-1 et 3-2 sont situés côte à côte et à contre-courant, c'est-à-dire que l'entrée el et la sortie si du trajet 3-1 sont adjacentes respectivement à la sortie s2 et à l'entrée e2 du trajet 3-2. Dans ces conditions, on définit pour l'échangeur interne une efficacité n donnée par l'équation [1] dans laquelle Tec, Tsé et Tsr sont respectivement les températures du fluide à l'entrée du compresseur 1 (ou à la sortie s2), à la sortie de l'évaporateur 5 (ou à l'entrée e2) et à la sortie du refroidisseur 2 (ou à l'entrée el). On constate que, lorsque l'échangeur interne est parcouru exclusivement par du fluide à l'état gazeux, l'efficacité est fonction décroissante du débit massique Q du fluide dans la boucle, selon une courbe dont un exemple est représenté par la courbe Cl de la figure 1. Cette courbe s'étend d'un point A à un point B correspondant respectivement aux débits minimal et maximal pouvant être obtenus dans la boucle. Entre ceux-ci, elle dépend uniquement des caractéristiques géométriques de l'échangeur interne et de la nature du fluide. La condition ci-dessus n'est satisfaite que si la charge thermique de la boucle est suffisante pour permettre à l'évaporateur de vaporiser intégralement le fluide jusqu'à son débit maximal. Dans le cas contraire, l'efficacité ne suit la courbe Cl que jusqu'à un point L correspondant au débit limite pouvant être vaporisé dans l'évaporateur. Audelà de ce débit limite, l'échangeur interne reçoit de l'évaporateur du fluide à l'état liquide, ce qui fait décroître brutalement l'efficacité selon le tronçon de courbe C2 approximativement vertical, suivi d'un tronçon C3 sensiblement horizontal pour lequel l'efficacité est pratiquement nulle. Sur la figure 3, qui représente un dispositif de climatisation selon l'invention, on retrouve la boucle de la figure 1, composée des éléments 1 à 6, auxquels s'ajoutent un capteur de débit 7 placé en amont de l'évaporateur 5 de manière à mesurer le débit massique du fluide qui le traverse à l'état liquide, ainsi que deux capteurs de température 10 et 11 associés à des blocs de lecture respectifs 12 et 13, destinés à mesurer la température du fluide respectivement entre la sortie du refroidisseur de fluide 2 et l'entrée el du trajet 3-1 de l'échangeur interne 3, et entre la sortie s2 du trajet 3-2 de ce dernier et l'entrée du compresseur 1. Un autre capteur 14, associé à un bloc de lecture 15, mesure la température d'un flux d'air F après qu'il a traversé l'évaporateur 5 sous l'action d'un pulseur 16, ce flux d'air étant destiné à être envoyé dans l'habitacle du véhicule pour régler la température régnant dans celui-ci. Selon l'invention, la température Tsr à la sortie du refroidisseur 2 (ou à l'entrée el) et la température de l'air refroidi sont envoyées par les blocs 12 et 15 respectivement à un bloc de traitement 17 également relié au capteur de débit 7, qui calcule à partir de ces valeurs mesurées-avec si nécessaire une correction pour tenir compte de l'écart entre la température de l'air refroidi et la température Tsé à la sortie de l'évaporateur 2 (ou à l'entrée e2)-une valeur de consigne Tec cons que devrait avoir la température Tec du fluide à l'entrée du compresseur 1 (ou à la sortie s2) pour que l'efficacité il de l'échangeur interne 3, calculée selon l'équation [1], prenne une valeur de référence p égale à l'ordonnée du point P de la courbe Cl qui a pour abscisse le débit Qp mesuré par le capteur 7. La valeur réelle de Tec, fournie par le bloc 13, est comparée à cette valeur de consigne par un comparateur 18. Si Tec Si au contraire Tec = Tec ceci signifie que l'échangeur interne contient du fluide entièrement à l'état gazeux, et que le point représentatif de l'efficacité sur le graphique de la figure 1 se trouve sur la courbe Cl. Cependant, cette égalité ne permet pas de distinguer entre les trois cas suivants : soit le point représentatif est le point L défini précédemment, soit le point représentatif est situé à gauche du point L, soit le point L n'existe pas, la charge thermique de la boucle étant suffisante pour que l'échangeur interne ne reçoive pas de liquide quel que soit le débit du fluide. Si on souhaite que l'évaporateur ne comporte pas de zone de surchauffe, ou que sa zone de surchauffe soit minimale, on peut alors commander le détendeur 4 de manière à augmenter le débit d'un petit incrément. On réalisera ainsi une régulation autour du point L s'il existe, et dans le cas contraire on stabilisera le débit à sa valeur maximale correspondant au point B, assurant une zone de surchauffe minimale. En variante, le débit massique du fluide peut être déterminé par d'autres moyens que le capteur 7. Par exemple, le débit volumique du fluide dans le compresseur peut être déterminé à partir de la cylindrée et de la vitesse de celui-ci, et le débit massique s'en déduit en tenant compte de la masse volumique du fluide, laquelle est fonction de la nature de celui-ci, de la température et de la pression. Dans une autre variante, on ne tient pas compte du débit du fluide, et on compare l'efficacité # à une valeur de référence m égale à l'ordonnée du point B. L'inégalité T) trouve sur l'un des tronçons C2 et C3, au-dessous du point K du tronçon C2 ayant pour abscisse Nm t nécessitant une réduction du débit. Si, ici encore, on souhaite éviter ou minimiser la zone de surchauffe de l'évaporateur, on commandera le détendeur de manière à maintenir l'efficacité à la valeur Nm t réalisant ainsi une régulation autour du point K, ou amenant le point de fonctionnement au point B. Le débit correspondant au point K est très voisin de celui correspondant au point L. Bien entendu, au lieu de calculer une valeur de consigne Tec cons en utilisant la valeur de référence de l'efficacité de l'échangeur interne, on pourrait comparer directement l'efficacité réelle à la valeur de référence, et produire le signal d'erreur sur la base de cette comparaison. Ces deux procédures sont strictement équivalentes. En outre, l'invention n'est pas limitée à la surveillance de l'efficacité de l'échangeur interne en tant qu'indicateur de la présence de fluide à l'état liquide dans le premier trajet ou de l'existence d'une zone de surchauffe dans l'évaporateur. Ces phénomènes peuvent être détectés par d'autres moyens, par exemple grâce à des capteurs spécifiques affectés à l'échangeur interne et/ou à l'évaporateur. Bien que l'invention ait été décrite en détail en relation avec l'utilisation de dioxyde de carbone, elle trouve une application avantageuse avec tout fluide réfrigérant, notamment fonctionnant selon un cycle supercritique et nécessitant un échangeur de chaleur interne. Revendications 1. Procédé de commande d'une boucle de fluide réfrigérant dans un dispositif de climatisation, notamment de l'habitacle d'un véhicule, ladite boucle contenant un compresseur (1) propre à recevoir le fluide à l'état gazeux et à le comprimer, un refroidisseur de fluide (2) propre à refroidir le fluide comprimé par le compresseur, à pression sensiblement constante, en transférant de la chaleur à un premier milieu, un détendeur (4) propre à abaisser la pression du fluide sortant du refroidisseur de fluide en l'amenant au moins en partie à l'état liquide et un évaporateur (5) propre à faire passer à l'état gazeux le fluide à l'état liquide provenant du détendeur, à pression sensiblement constante, en prélevant de la chaleur d'un second milieu pour refroidir l'espace à climatiser, le fluide ainsi vaporisé étant ensuite aspiré par le compresseur, la boucle contenant en outre un échangeur de chaleur interne (3) permettant au fluide circulant dans un premier trajet (3-1) de l'échangeur interne, entre le refroidisseur de fluide et le détendeur, de céder de la chaleur au fluide circulant dans un second trajet (3-2) de l'échangeur interne, entre l'évaporateur et le compresseur, caractérisé en ce qu'on surveille une première condition susceptible de révéler la présence de fluide à l'état liquide dans ledit second trajet, et qu'on réduit le débit du fluide dans la boucle lorsque ladite première condition est satisfaite. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite première condition consiste en ce que l'efficacité T) de l'échangeur de chaleur interne, représentée par l'équation [1] dans laquelle Tec, Tsé et Tsr sont respectivement les températures à l'entrée du compresseur, à la sortie de l'évaporateur et à la sortie du refroidisseur, est inférieure à une valeur de référence o. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on surveille en outre une seconde condition suscepti- ble de révéler l'existence d'une zone de surchauffe dans l'évaporateur, et on augmente le débit du fluide dans la boucle lorsque ladite seconde condition est satisfaite. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel ladite seconde condition consiste en ce que l'efficacité telle que définie dans la revendication 2 est supérieure ou égale à une valeur de référence T) o. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 et 4, dans lequel on règle le débit du fluide sensiblement à la valeur maximale compatible avec une efficacité # non inférieure à la valeur de référence. 6. Procédé selon l'une des revendications 2,4 et 5, dans lequel on adopte comme valeur de référence, quelle que soit la valeur du débit, la valeur il. prise par l'efficacité 1 lorsque le débit est maximal et que ledit second trajet ne contient pas de fluide à l'état liquide. 7. Procédé selon l'une des revendications 2,4 et 5, dans lequel on adopte comme valeur de référence, pour une valeur déterminée Qp du débit, la valeur nu prise par l'efficacité lorsque ledit second trajet ne contient pas de fluide à l'état liquide. 8. Procédé selon l'une des revendications 2 et 4 à 7, dans lequel on règle le débit en agissant sur le détendeur. 9. Procédé selon l'une des revendications 2 et 4 à 8, dans lequel, pour évaluer sur la base de l'équation [1], on utilise pour l'une au moins desdites températures une valeur mesurée au moyen d'un capteur (10,11) en contact thermique avec le fluide. 10. Procédé selon l'une des revendications 2 et 4 à 9, dans lequel, pour évaluer il sur la base de l'équation [1], on utilise pour représenter Tsé la température d'un flux d'air (F) ayant balayé l'évaporateur et constituant ledit second milieu. 11. Procédé selon l'une des revendications 2 et 4 à 10, dans lequel on compare Tec à une valeur de consigne Tec telle que et on considère que il est inférieure et supérieure à la valeur de référence lorsque Tec est inférieure et supérieure à ladite valeur de consigne respectivement. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le compresseur est du type à cylindrée variable à commande externe. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le compresseur comprime le fluide jusqu'à une pression supercritique. 14. Dispositif de climatisation, notamment de l'habitacle d'un véhicule, propre à la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant une boucle de fluide réfrigérant telle que définie dans la revendication 1, des moyens de surveillance (10-15,17) pour surveiller une première condition susceptible de révéler la présence de fluide à l'état liquide dans ledit second trajet, et optionnellement une seconde condition susceptible de révéler l'existence d'une zone de surchauffe dans l'évaporateur, et des moyens (19,20, 21) pour commander le débit du fluide dans la boucle en fonction du résultat de cette surveillance. 15. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel les moyens de surveillance comprennent des moyens (10-15) pour évaluer les températures Tec'Tsé et Tsr respectivement à l'entrée du compresseur, à la sortie de l'évaporateur et à la sortie du refroidisseur, des moyens (17) pour calculer à partir de celles-ci l'efficacité de l'échangeur de chaleur interne, sur la base de l'équation [1] et des moyens pour comparer l'efficacité à une valeur de référence. 16. Dispositif selon la revendication 15, comprenant en outre des moyens (7) pour déterminer le débit du fluide dans la boucle et pour définir à partir de celui-ci ladite valeur de référence. 17. Dispositif selon l'une des revendications 15 et 16, dans lequel les moyens pour évaluer lesdites températures comprennent au moins un capteur de température (10,11) en contact thermique avec le fluide. 18. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 17, dans lequel les moyens pour évaluer la température Tsé comprennent un capteur de température (14) en contact thermique avec un flux d'air (F) ayant balayé l'évaporateur.