Brevet FR2818196A1 — publié le 20020621

Circuit de climatisation avec compresseur à débit variable et procédé de contrôle L'invention se rapporte à la climatisation de l'habitacle des véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un circuit de climatisation pour un habitacle de véhicule automobile, propre à être parcouru par un fluide réfrigérant et comprenant un compresseur à débit variable à contrôle externe et un évaporateur propre à être traversé par un flux d'air à envoyer dans l'habitacle. Un circuit de climatisation de ce type comprend en outre un condenseur et un détendeur interposé entre le compresseur à débit variable et l'évaporateur. Le compresseur reçoit un signal de commande pour ajuster sa cylindrée et par conséquent le débit du fluide réfrigérant. Ce dernier est envoyé en phase gazeuse dans le condenseur dans lequel il se transforme en phase liquide, par échange de chaleur avec un flux d'air extérieur ou recirculé. Le fluide réfrigérant en phase liquide est ensuite détendu au travers du détendeur puis est transformé en phase gazeuse dans l'évaporateur par échange thermique avec un flux d'air. Le flux d'air ainsi refroidi est envoyé dans l'habitacle du véhicule automobile pour procurer un air réfrigéré ou climatisé. En sortie de l'évaporateur, le fluide en phase gazeuse est envoyé à l'entrée du compresseur, et ainsi de suite. L'utilisation d'un compresseur à contrôle externe offre l'avantage d'ajuster, selon le besoin, la basse pression du circuit et, par conséquent, la pression d'évaporation du fluide réfrigérant dans l'évaporateur. Ceci permet ainsi d'ajuster la température de l'évaporateur et, par conséquent, celle du flux d'air envoyé dans l'habitacle. Un compresseur à contrôle externe présente cependant l'incon- vénient que, pour des débits faibles, les températures mesurées en différents endroits de l'évaporateur, par exemple par des thermocouples, présentent des dispersions relativement importantes. Une telle situation se rencontre par exemple lorsque l'on souhaite refroidir l'habitacle, alors que la température ambiante extérieure est de l'ordre de 20 à 2SoC. Il en résulte un déséquilibre des températures, c'est à dire une dispersion des températures en différents endroits de l'évaporateur, ainsi que des instabilités de températures, c'est à dire des variations de températures en un même endroit de l'évaporateur. Ces variations de températures se retrouvent donc dans l'air ayant traversé l'évaporateur. En conséquence, l'air soufflé dans l'habitacle, par les buses de distribution habituelles, accuse des différences de température importantes, ce qui altère le confort des passagers. Pour remédier à cet inconvénient, il pourrait être envisagé d'utiliser un détendeur à commande électronique, mais cette solution est complexe à mettre en oeuvre et augmente les coûts du circuit de climatisation. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle vise en particulier à procurer un circuit de climatisation du type défini ci-dessus qui permet de diminuer le déséquilibre et les instabilités de températures lorsque le compresseur fonctionne avec un faible débit. Elle propose à cet effet un circuit de climatisation du type défini en introduction, lequel comprend : a) des moyens de calcul propres à déterminer une température de consigne en aval de l'évaporateur à partir d'une première information relative à la charge thermique de l'évaporateur et d'une seconde information relative à une température de consigne de l'habitacle ; b) des moyens de comparaison pour comparer la température de consigne en aval de l'évaporateur ainsi déterminée à une température de consigne limite en aval de l'évaporateur, au dessus de laquelle des déséquilibres et instabilités de température sont susceptibles de se produire dans l'évaporateur ; et c) des moyens de commande reliés aux moyens de comparaison et propres à : - soit commander le compresseur en fonction de la température de consigne en aval de l'évaporateur, si cette dernière est inférieure à la température de consigne limite en aval de l'évaporateur, pour amener le flux d'air issu de l'évaporateur à la température de consigne en aval de l'évaporateur, - sinon, commander le compresseur en fonction de la température de consigne limite en aval de l'évaporateur et commander en outre des moyens de réchauffage propres à échauffer au moins en partie le flux d'air issu de l'évaporateur pour l'amener à la température de consigne en aval de l'évaporateur, initialement déterminée. Ainsi, le compresseur est commandé de manière à procurer, en aval de l'évaporateur, une température de consigne qui ne peut excéder la température de consigne limite au dessus de laquelle des déséquilibres et instabilités de températures sont susceptibles de se produire dans l'évaporateur. Il en résulte un abaissement de la température moyenne de l'évaporateur qui permet de remédier à ces déséquilibres et instabilités de températures. Corrélativement, comme la température moyenne de l'évaporateur est abaissée, il est nécessaire dans certains cas de compenser cette baisse de température par l'actionnement des moyens de réchauffage qui agissent pour réchauffer le flux d'air issu de l'évaporateur et l'amener à la température voulue, c'est à dire à la température de consigne en aval de l'évaporateur, initialement déterminée. Ainsi, même pour un faible débit du compresseur, on ramène le déséquilibre de température en-dessous d'un seuil prédéterminé, ce qui permet de diminuer le déséquilibre des températures au niveau de l'évaporateur. Ce déséquilibre est réduit par l'utilisation d'un débit de fluide réfrigérant qui peut être plus élevé que celui nécessaire, et qui est alors compensé par un réchauffage de l'air. Ceci permet de procurer un compromis sur le déséquilibre des températures en aval de l'évaporateur qui respecte le confort des passagers tout en préservant l'intérêt de l'utilisation d'un compresseur à débit variable. Un tel compresseur permet en effet d'adapter la puissance frigorifique au juste nécessaire pour limiter la consommation de la boucle de climatisation. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de mesure sont reliés à des moyens d'acquisition propres à délivrer la première information à partir d'une grandeur représentative du débit d'air traversant l'évaporateur et d'une grandeur représentative de la température de l'air en amont de l'évaporateur. Avantageusement, la température de consigne limite en aval de l'évaporateur est choisie de manière que l'écart de température entre la température maximale et la température minimale de l'évaporateur ne dépasse pas un seuil donné, par exemple de SoC. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de commande sont propres à envoyer au compresseur un signal définissant une valeur de pression qui est inférieure à un niveau seuil de pression. Cette valeur de pression correspond à la pression d'évaporation, c'est à dire sensiblement la pression d'aspiration du compresseur. De préférence, le niveau seuil de pression (pression d'aspiration) du compresseur est fixé pour être supérieur ou égal à un niveau minimum atteignable de pression qui correspond à la température de consigne limite en aval de l'évaporateur. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les moyens de commande sont propres à envoyer au compresseur un courant de commande supérieur à un courant de commande seuil qui correspond au niveau seuil de pression. De manière préférentielle, le courant de commande seuil est fixé pour être supérieur à un courant de commande minimum qui correspond au niveau minimum atteignable de pression. Dans une forme de réalisation préférée, les moyens de réchauffage comprennent un échangeur de chaleur réalisant l'échange de chaleur entre au moins une partie du flux d'air et au moins un fluide caloporteur. En particulier, il peut s'agir d'un radiateur alimenté en eau réchauffée par le moteur ou la pile à combustible du véhicule et/ou d'un condenseur d'un circuit fonctionnant en pompe à chaleur. Dans une autre forme de réalisation, en complément ou en alternative, les moyens de réchauffage comprennent une résistance électrique, en particulier une résistance à coefficient de température positif. Sous un autre aspect, l'invention concerne un procédé de contrôle d'un circuit de climatisation du type précité, dans lequel le circuit est parcouru par un fluide réfrigérant et comprend un compresseur à débit variable à contrôle externe et un évaporateur propre à être traversé par un flux d'air à envoyer dans l'habitacle. Ce procédé comprend essentiellement les opérations suivantes : a) calculer une température de consigne en aval de l'évaporateur à partir d'une première information relative à la charge thermique de l'évaporateur et d'une seconde information relative à une température de consigne de l'habitacle ; b) comparer la température de consigne en aval de l'évaporateur ainsi déterminée à une température de consigne limite en aval de l'évaporateur, au dessus de laquelle des déséquilibres et instabilités de température sont susceptibles de se produire dans l'évaporateur ; et c) en fonction de cette comparaison, - soit commander le compresseur en fonction de la température de consigne en aval de l'évaporateur, si cette dernière est inférieure à la température de consigne limite en aval de l'évaporateur, pour amener le flux d'air issu de l'évaporateur à la température de consigne en aval de l'évaporateur, - sinon, commander le compresseur en fonction de la température de consigne limite en aval de l'évaporateur et commander en outre des moyens de réchauffage propres à échauffer au moins en partie le flux d'air issu de l'évaporateur pour l'amener à la température de consigne en aval de l'évaporateur, initialement déterminée. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un circuit de climatisation selon l'invention ; et - la figure 2 est un organigramme de fonctionnement du circuit de climatisation de la figure 1. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente schématiquement un circuit de climatisation selon l'invention. Ce circuit comprend une boucle 10 parcourue par un fluide réfrigérant, tel qu'un composé fluoré, pouvant se présenter sous deux phases différentes : une phase liquide et une phase vapeur. Le circuit comprend un compresseur 12 à débit variable susceptible de recevoir un signal SI ayant une intensité de commande Ic variable et provenant d'une unité de commande 14. Ainsi, la cylindrée du compresseur 12 est ajustée en fonction de l'intensité de commande, c'est à dire du courant de commande, ce qui permet de délivrer un débit variable. Le fluide réfrigérant en phase vapeur est comprimé par le compresseur 12 et envoyé vers un condenseur 16 lequel est balayé par un flux d'air extérieur AE, ce qui permet de condenser le fluide réfrigérant pour le transformer en phase liquide. Le fluide réfrigérant en phase liquide quitte le condenseur et est ensuite détendu au travers d'un détendeur 18. De là, le fluide réfrigérant en phase liquide gagne un évaporateur 20 qui est balayé par un flux d'air F forcé par un pulseur 22 à régime variable. Le flux d'air F échange de la chaleur avec le fluide réfrigérant en phase liquide, qui se transforme en phase vapeur en absorbant de la chaleur. On produit ainsi un flux d'air réfrigéré ou climatisé qui est envoyé dans l'habitacle H du véhicule automobile. En aval de l'évaporateur 20 sont prévus des moyens de réchauffage constitués ici d'un échangeur de chaleur 24 alimenté en eau et d'un volet de mixage 21, ce qui permet de réchauffer, si nécessaire, au moins en partie le flux d'air réfrigéré. L'unité de commande 14 est propre à envoyer, non seulement un signal SI d'intensité de commande Ic au compresseur 12, mais aussi un signal S3 propre à actionner un moteur électrique 23 qui commande la position du volet de mixage 21. L'unité de commande 14 comprend des moyens de calcul 26 propres à déterminer une température de consigne en aval de l'évaporateur, appelée Tce, à partir d'une première information relative à la charge thermique Qth de l'évaporateur et d'une seconde information relative à une température de consigne de l'habitacle Tch. Cette dernière est sélectionnée par un occupant du véhicule, par exemple par affichage sur un tableau de commande 28. Les moyens de calcul 26 sont reliés à des moyens d'acquisition qui délivrent la première information à partir d'une grandeur représentative du débit d'air Qair traversant l'évaporateur 20 et d'une grandeur représentative de la température de l'air en amont de l'évaporateur Tae. Ces deux grandeurs sont fournies respectivement par un capteur 30 prévu sur le pulseur pour délivrer une grandeur représentative du régime du pulseur, par exemple la tension appliquée au pulseur, donc du débit d'air Qair, et par un capteur de température 32 situé en amont de l'évaporateur 20. Les moyens de calcul 26 fournissent ainsi une grandeur représentative de la température de consigne en aval de l'évaporateur, Tce, et cette grandeur est appliquée à des moyens de comparaison réalisés sous la forme d'un comparateur 34. Celui-ci compare la température de consigne en aval de l'évaporateur Tce, ainsi déterminée, à une température de consigne limite en aval de l'évaporateur, Tce-lim, au dessus de laquelle des déséquilibres et instabilités de température sont susceptibles de se produire dans l'évaporateur. Cette température de consigne limite en aval de l'évaporateur Tce-lim est choisie de manière qu'un écart de température AT entre une température maximale Tmax et une température minimale Tmin de l'évaporateur ne dépasse pas un seuil donné, par exemple de 5 C. Le comparateur 34 est relié à des moyens de commande 36 propres à commander le compresseur 12 et, le cas échéant, le volet de mixage 21 en fonction d'instructions qui lui sont données par le comparateur 34. Si la température de consigne en aval de l'évaporateur Tce est inférieure à la température de consigne limite en aval de l'évaporateur Tce-lim, on commande le compresseur en fonction de la température de consigne en aval de l'évaporateur Tce, ce qui permet d'amener le flux d'air F issu de l'évaporateur à la température de consigne en aval de l'évaporateur. Le volet de mixage 21 n'est alors pas actionné. Si la température de consigne en aval de l'évaporateur Tce est supérieure à la température de consigne limite en aval de l'évaporateur Tce-lim, on commande le compresseur en fonction de la température de consigne limite en aval de l'évaporateur Tce-lim et on commande en outre le volet de mixage 21, ce qui permet d'échauffer au moins en partie le flux d'air F issu de l'évaporateur 20 pour l'amener à la température de consigne en aval de l'évaporateur, initialement déterminée. Dans les deux cas on évite l'apparition de déséquilibres ou instabilités de températures dans l'évaporateur, du fait que ce dernier ne travaille jamais au dessus de la température de consigne limite Tce. Le signal SI envoyé au compresseur définit une valeur de pression d'aspiration Ps qui est inférieure à un niveau seuil de Pression Pss. Cette dernière est fixée pour être supérieure ou égale à un niveau minimum atteignable de pression Psm qui correspond à la température de consigne limite en aval de l'évaporateur Tce-lim. Un tel niveau minimum atteignable de pression Psm est imposé par des raisons technologiques concernant notamment le détendeur et l'évaporateur. Ce signal SI se traduit par un courant de commande Ic, lequel est supérieur à un courant de commande seuil Is qui corres- pond au niveau seuil de pression Pss. En outre, le courant de commande seuil Is est fixé pour être supérieur à un courant de commande minimum Im qui correspond au niveau minimum atteignable de pression Psm. Dans le cas où l'on commande à la fois le compresseur et les moyens de réchauffage, on applique au compresseur une intensité de commande supérieure, ce qui se traduit par une baisse de la pression d'aspiration du compresseur. Corrélativement, cela entraîne une diminution de la pression du fluide réfrigérant dans l'évaporateur et, par conséquent, une baisse de température de l'évaporateur. Il en résulte que la température de l'air en aval de l'évaporateur est abaissée, alors qu'en même temps la dispersion des températures est diminuée. Pour compenser cet abaissement de température, l'unité de commande 14 agit sur le volet de mixage 21 en envoyant un signal S3 de valeur appropriée pour échauffer au moins en partie le flux d'air issu de l'évaporateur. On obtient alors un fonctionnement dans lequel l'écart entre la température maximale et la température minimale de l'évaporateur est inférieur à l'écart seuil (ici 5 C) et dans lequel la température moyenne de l'évaporateur est abaissée, mais compensée par une élévation de température grâce à l'actionnement des moyens de réchauffage. Il en résulte que le flux d'air produit en aval des moyens de réchauffage correspond à la température de consigne sélectionnée par l'utilisateur. L'invention permet ainsi de trouver un compromis permettant de diminuer sensiblement le déséquilibre des températures en aval de l'évaporateur pour un fonctionnement à faible débit du compresseur. On conserve en même temps l'avantage de l'utilisation d'un compresseur à contrôle externe, en adaptant la puissance frigorifique au juste nécessaire pour limiter la consommation du circuit de climatisation. Ainsi, l'invention permet de contrôler le débit du compresseur tout en limitant le déséquilibre des températures au niveau de l'évaporateur. On a représenté sur la figure 2 un organigramme de fonctionnement du circuit de la figure 1 et sur lequel on retrouve en particulier les moyens d'acquisition 30 et 32, les moyens d'acquisition 28, les moyens de calcul 26 et les moyens de comparaison 34. A partir de ces dernier on commande soit le compresseur 12 seul (condition OUI), soit simultanément le compresseur 12 et le volet de mixage 21 (condition NON). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite précédemment à titre d'exemple et s'étend à d'autres variantes. Par exemple, le signal S2 peut agir directement sur la quantité de chaleur fournie pa l'échangeur de chaleur. Dans le cas où l'échangeur de chaleur échange de la chaleur entre au moins deux fluides, par exemple entre de l'air et un fluide caloporteur, le signal S2 peut agir sur une vanne du circuit de réchauffage, en faisant circuler, ou non, le fluide caloporteur dans l'échangeur. Le moyen de réchauffage comporte éventuellement, en complément ou en alternative à l'échangeur précité, un radiateur électrique comportant au moins une résistance électrique, en particulier au moins une résistance à coefficient de température positif. Le signal S2 est alors propre à fournir une intensité variable au radiateur électrique. L'invention trouve une application aux circuits de climatisation pour véhicules automobiles. Revendications 1. Circuit de climatisation pour un habitacle de véhicule automobile, propre à être parcouru par un fluide réfrigérant et comprenant un compresseur à débit variable (12) à contrôle externe et un évaporateur (20) propre à être traversé par un flux d'air (F) à envoyer dans l'habitacle (H), caractérisé en ce qu'il comprend : a) des moyens de calcul (26) propres à déterminer une température de consigne en aval de l'évaporateur à partir d'une première information relative à la charge thermique de l'évaporateur et d'une seconde information relative à une température de consigne de l'habitacle (Tch) ; b) des moyens de comparaison (30) pour comparer la température de consigne en aval de l'évaporateur, ainsi déterminée, à une température de consigne limite en aval de l'évaporateur au dessus de laquelle des déséquilibres et instabilités de température sont susceptibles de se produire dans l'évaporateur ; et c) des moyens de commande (14) reliés aux moyens de comparaison (30) et propres à : - soit commander le compresseur en fonction de la température de consigne en aval de l'évaporateur, si cette dernière est inférieure à la température de consigne limite en aval de l'évaporateur, pour amener le flux d'air (F) issu de l'évaporateur à la température de consigne en aval de l'évaporateur, - sinon, commander le compresseur en fonction de la température de consigne limite en aval de l'évaporateur et commander en outre des moyens de réchauffage (21,24) propres à échauffer au moins en partie le flux d'air (F) issu de l'évaporateur (20) pour l'amener à la température de consigne en aval de l'évaporateur. 2. Circuit de climatisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de calcul (26) sont reliés à des moyens d'acquisition (30,32) propres à délivrer la première information à partir d'une grandeur représentative du débit d'air (Qair) traversant l'évaporateur (20) et d'une grandeur représentative de la température de l'air en amont de l'évaporateur (Tae). 3. Circuit de climatisation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la température de consigne limite en aval de l'évaporateur est choisie de manière que l'écart de température entre la température maximale et la température minimale de l'évaporateur ne dépasse pas un seuil donné, par exemple de Soc. 4. Circuit de climatisation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de commande sont propres à envoyer au compresseur (12) un signal (sol) définissant une valeur de pression qui est inférieure à un niveau seuil de pression. 5. Circuit de climatisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le niveau seuil de pression du compresseur est fixé pour être supérieur ou égal à un niveau minimum atteignable de pression qui correspond à la température de consigne limite en aval de l'évaporateur. 6. Circuit de climatisation selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les moyens de commande sont propres à envoyer au compresseur (12) un courant de commande (Ic) supérieur à un courant de commande seuil qui correspond au niveau seuil de pression. 7. Circuit de climatisation selon les revendications 5 et 6, prises en combinaison, caractérisé en ce que le courant de commande seuil est fixé pour être supérieur à un courant de commande minimum qui correspond au niveau minimum atteignable de pression. 8. Circuit de climatisation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de réchauffage comprennent un échangeur de chaleur (24) et un volet de mixage (21). 9. Circuit de climatisation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de réchauffage comprennent une résistance électrique, en particulier une résistance à coefficient de température positif. 10. Procédé de contrôle d'un circuit de climatisation pour un habitacle de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le circuit est parcouru par un fluide réfrigérant et comprend un compresseur (12) à débit variable à contrôle externe et un évaporateur (20) propre à être traversé par un flux d'air (F) à envoyer dans l'habitacle (H), caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes : a) calculer une température de consigne en aval de l'évapora- teur à partir d'une première information relative à la charge thermique de l'évaporateur et d'une seconde information relative à une température de consigne de l'habitacle (Tch) ; b) comparer la température de consigne en aval de l'évaporateur ainsi déterminée à une température de consigne limite en aval de l'évaporateur au dessus de laquelle des déséquilibres et instabilités de température sont susceptibles de se produire dans l'évaporateur ; et c) en fonction de cette comparaison, - soit commander le compresseur en fonction de la température de consigne en aval de l'évaporateur, si cette dernière est inférieure à la température de consigne limite en aval de l'évaporateur, pour amener le flux d'air (F) issu de l'évapo- rateur à la température de consigne en aval de l'évaporateur, - sinon, commander le compresseur en fonction de la température de consigne limite en aval de l'évaporateur (Tce-lim) et commander en outre des moyens de réchauffage (22) propres à échauffer au moins en partie le flux d'air (F) issu de l'évaporateur (20) pour l'amener à la température de consigne en aval de l'évaporateur.