Brevet FR2845641A1 — publié le 20040416

DISPOSITIF DE REGULATION THERMIQUE POUR HABITACLE DE VEHICULE AUTOMOBILE L'invention se rapporte à un dispositif de régulation thermique pour habitacle de véhicule automobile. Elle s'applique notamment à la climatisation d'un habitacle de véhicule. Dans les appareils actuels de climatisation et/ou de chauffage pour habitacle de véhicule automobile, les boucles d'air climatisé utilisent généralement un condenseur sur l'air placé sur le radiateur moteur, la boucle 10 du liquide de refroidissement du moteur et la boucle de fluide de climatisation étant indépendantes. Une possibilité pour améliorer les échanges thermiques est d'utiliser un seul échangeur travaillant sur l'eau et réunissant les surfaces d'échange du condenseur et du radiateur. Dans cette configuration, il faut cependant ajouter un condenseur sur l'eau pour assurer la condensation du 15 réfrigérant. Cette solution est intéressante si et seulement si la répartition de la surface d'échange est modulaire afin de favoriser suivant, les cas, soit le circuit basse température dédié à la climatisation (moteur au ralenti ou tournant à faible vitesse), soit le circuit haute température dédié au refroidissement du moteur (surcharge thermique avec véhicule en 20 déplacement). Or, ce mode de fonctionnement dual n'est pas optimisé et nécessite un échangeur eau/réfrigérant supplémentaire ainsi qu'un moyen de répartition lié à l'échangeur modulaire afin de privilégier la climatisation ou le refroidissement du. Pour résoudre ce problème, l'invention propose d'enrichir le 25 concept présenté ci-avant en modifiant l'appareil de sorte qu'il puisse notamment fonctionner en mode pompe à chaleur. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de régulation thermique pour habitacle de véhicule automobile comprenant: - un premier circuit fermé d'échange thermique à l'intérieur 30 duquel circule un liquide de refroidissement et comportant un moteur thermique destiné à être refroidi et un radiateur de refroidissement fonctionnant sur l'air, au moins un deuxième circuit fermé d'échange thermique à l'intérieur duquel circule un fluide frigorigène et comportant un condenseur en 35 relation thermique directe ou indirecte avec le premier circuit, un organe de détente, un évaporateur fonctionnant sur l'air disposé dans une conduite d'aération pour rafraîchir l'habitacle, et un compresseur, et un radiateur de chauffage en relation thermique avec le condenseur et disposé dans ladite conduite d'aération, ledit dispositif comprenant en outre des moyens d'extraction vers l'extérieur de l'habitacle de la puissance thermique dissipée par le radiateur de chauffage ou l'évaporateur, respectivement lorsque le radiateur de chauffage fonctionne en mode pompe à chaleur sur l'air en prélevant des calories au premier circuit d'échange thermique ou lorsque l'évaporateur 10 produit des frigories au sein du deuxième circuit d'échange thermique. Ainsi, lorsque la température extérieure est élevée, notamment en été, le radiateur de chauffage de l'appareil de climatisation est utilisé en mode " pompe à chaleur" pour évacuer la chaleur issue du radiateur du moteur, c'est-à-dire pour délester le radiateur du moteur d'une 15 partie de la charge thermique qui lui est demandée pour refroidir ledit moteur, que ce dernier soit au ralenti, à un régime classique de fonctionnement, ou en pleine charge. Cette charge thermique est ensuite évacuée à l'extérieur de l'habitacle pour éviter de le réchauffer alors que la température extérieure est élevée. Lorsque la température extérieure est faible, par exemple en hiver, l'évaporateur de l'appareil de climatisation est utilisé pour produire du froid (frigories), ce qui va créer du chaud au niveau du condenseur. Le condenseur transfère ces calories ainsi produites au radiateur moteur, lequel réchauffe à son tour le radiateur de l'habitacle. Le froid est par ailleurs évacué 25 de l'habitacle pour éviter de rafraîchir celui-ci inutilement. De manière préférée, les moyens d'extraction sont constitués par un volet obturant la conduite de dérivation détournant l'air transportant la puissance thermique dissipée pour l'évacuer en dehors de la conduite d'aération. Avantageusement, le volet d'obturation de la conduite de dérivation pour l'extraction de la puissance thermique dissipée par le radiateur de chauffage est indépendant du volet d'obturation de la conduite de dérivation pour l'extraction de la puissance thermique dissipée par l'évaporateur. De préférence, chaque volet est modulable en position de manière à faire varier la puissance thermique extraite en dehors de la conduite d'aération. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le 5 dispositif comprend en outre un troisième circuit fermé d'échange thermique à l'intérieur duquel circule un fluide de refroidissement et comportant le radiateur de refroidissement, le condenseur et ledit radiateur de chauffage. De préférence, le radiateur de chauffage et le condenseur appartiennent également au premier circuit d'échange thermique et sont 10 traversés par le même liquide de refroidissement. De manière avantageuse, le radiateur de refroidissement présente une surface d'échange modulable répartie entre le premier et le troisième circuits d'échange thermique, afin de privilégier le refroidissement du moteur ou le chauffage de l'habitacle D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple qui représentent respectivement: - la figure 1, une schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention, - la figure 2, une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention, et - les figures 3a à 3e, des vues schématiques en coupe d'un conduit de circulation d'air à l'intérieur duquel est placé une partie du dispositif des figures 1 ou 2. Suivant le mode de réalisation de la figure 1, un dispositif de régulation thermique 10 pour habitacle de véhicule comprend, conformément à l'invention, un premier circuit fermé 12 d'échange thermique à l'intérieur duquel circule un liquide de refroidissement de type connu. Ce premier circuit 12 comprend le moteur 14 du véhicule, un échangeur thermique 16 de type 30 liquide caloporteur/air tel qu'un radiateur de refroidissement à ailettes placé à l'avant d'un compartiment moteur, un échangeur thermique 22 de type liquide caloporteur/air, tel qu'un radiateur de chauffage placé dans une conduite d'aération du dispositif (voir figure 3a à 3e), et un échangeur thermique 24 de type liquide caloporteur/fluide frigorigène tel qu'un condenseur. Dans ce 35 premier circuit d'échange thermique 12, de l'air frais traverse le radiateur de refroidissement 16 pour refroidir le liquide de refroidissement qui circule en son sein. Ce liquide traverse le radiateur fonctionnant sur l'air 22 puis le condenseur 24 avant de venir au contact du moteur 14 pour le refroidir. Le dispositif de régulation thermique 10 comprend également un deuxième circuit fermé d'échange thermique 20 à l'intérieur duquel circule 5 un fluide frigorigène. Ce deuxième circuit comprend, selon le sens de circulation du fluide frigorigène, le condenseur 24, une vanne de détente 32, un échangeur thermique 34 de type fluide frigorigène/air, tel qu'un évaporateur, et un compresseur 36. Dans ce deuxième circuit 20, le fluide frigorigène se vaporise dans l'évaporateur 34 en enlevant de la chaleur à une 10 source froide telle que de l'air pulsé. Le compresseur 36 aspire le fluide frigorigène vaporisé et le refoule dans le condenseur 24 refroidi par échange thermique avec une source chaude constituée dans le cas présent par le liquide de refroidissement du deuxième circuit d'échange thermique 20. Le fluide frigorigène se condense dans le condenseur 24 et circule en direction 15 de la vanne de détente 32 qui abaisse sa pression avant de l'envoyer vers l'évaporateur 34 terminer son cycle fermé. Selon le mode de réalisation de la figure 2, le premier circuit d'échange thermique 12 ne comprend que le moteur 14 et le radiateur de refroidissement 16, mais le dispositif comprend par contre un troisième circuit 20 fermé d'échange thermique 30 comprenant le radiateur de refroidissement 16, le radiateur de chauffage 22 et le condenseur 24. Ces deux circuits partagent le même liquide de refroidissement. Avantageusement, comme cela est représenté sur la figure 2, le radiateur de refroidissement 16 présente une surface d'échange modulable répartie entre les premier et troisième circuits 25 d'échange thermique, afin de privilégier le refroidissement du moteur ou le chauffage de l'habitacle, selon les besoins. Ces dispositifs 10 peuvent avoir cinq modes de fonctionnement décrits ciaprès: - Le dispositif de régulation 10 fonctionne en mode tout froid 30 sur la figure 3a, c'est-à-dire que l'air propulsé par un puiseur 38 traverse l'évaporateur 34 et est refroidit à son contact avant d'être envoyé vers l'habitacle par la conduite d'aération 40; - Le dispositif de régulation 10 fonctionne en mode tout chaud sur la figure 3b, c'est-àdire que l'air propulsé par le pulseur 38 traverse le 35 radiateur de chauffage 22 et est réchauffé à son contact avant d'être envoyé vers l'habitacle par la conduite d'aération 40; - Le dispositif de régulation 10 fonctionne en mode déshumidification sur la figure 3c, c'est-à-dire que l'air propulsé par le pulseur 38 traverse l'évaporateur 34, est refroidit et desséché à son contact, puis traverse le radiateur de chauffage 22 afin d'être réchauffé avant d'être envoyé vers l'habitacle par la conduite d'aération 40; - Le dispositif de régulation 10 fonctionne en mode " pompe à froid " sur la figure 3d. En hiver, lorsque la température de l'air extérieur est faible et que le moteur du véhicule tourne soit au ralenti, soit à un régime normal, soit à pleine charge, l'évaporateur 34 est traversé par de l'air frais 10 dont la température est plus élevée que celle du fluide de refroidissement circulant dans le troisième circuit d'échange thermique 30. L'air ainsi refroidit par l'évaporateur 34 n'est pas envoyé dans l'habitacle pour éviter de refroidir ses occupants mais il est au contraire évacué hors de l'habitacle par une'autre conduite de dérivation (non représentée) obturée par un second volet articulé 15 46. Cette solution permet d'améliorer le chauffage de l'habitacle car l'évaporateur, en créant des frigories au sein du deuxième circuit d'échange thermique 20, fait monter la température du condenseur 24 et améliore ainsi le rendement thermique du troisième circuit 30; - Le dispositif de régulation 10 fonctionne en mode pompe à 20 chaleur " chaude " sur la figure 3e. En été, lorsque la température de l'air extérieur est élevée et que le moteur du véhicule tourne soit au ralenti, soit à un régime normal, soit à pleine charge, le radiateur de chauffage 22 est traversé par un courant d'air extérieur (ou recyclé) chaud dont la température reste plus basse que celle du liquide caloporteur traversant ledit radiateur 22 25 au sein du premier circuit 12 (solution de la figurer) ou du troisième circuit 30 (solution de la figure 2). L'air ainsi réchauffé par le radiateur de chauffage 22 n'est pas envoyé dans les conduites d'aération car cela provoquerait un réchauffement fortement nuisible de l'habitacle. Cet air chaud est au contraire évacué vers l'extérieur de l'habitacle, par exemple par une conduite de 30 dérivation (non représentée) obturé par un volet articulé 45. Cette solution, appelée mode " pompe à chaleur été ", permet ainsi d'améliorer le refroidissement du moteur 14 en dissipant une puissance calorifique plus importante que dans les dispositifs de l'art antérieur, sans aucune nuisance sur le confort des passagers puisque l'habitacle est refroidit normalement. En 35 effet, le radiateur de chauffage 22 déleste le radiateur de refroidissement 16 d'une partie de la charge thermique qu'il récupère en refroidissant le moteur 14. Cela améliore le rendement du deuxième circuit d'échange thermique 20. Les avantages des solutions présentées sont les suivants: - utilisation de la boucle d'air climatisé pour le chauffage additionnel, sans ajout de composant frigorifique de type vanne 4 voies; - pas de risque de givrage de l'échangeur qui n'est pas au contact direct avec la neige puisqu'il se trouve dans l'habitacle du véhicule, ou éventuellement dans le compartiment moteur, très proche du tablier; - pas de risque d'embuage car la puissance thermique est 10 cédée à l'eau et non sur l'air; - utilisation du radiateur de chauffage en radiateur basse température. Il doit être bien entendu toutefois que ces exemples sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention dont ils ne 15 constituent en aucune manière une limitation. Ainsi, les volets 45 et 46 peuvent pivoter de manière modulable entre les positions extrêmes totalement ouverte et totalement fermée afin de faire varier la puissance thermique évacuée de la conduite d'aération. REVENDICATIONS 1. Dispositif (10) de régulation thermique pour habitacle de véhicule automobile comprenant: - un premier circuit fermé d'échange thermique (12) à l'intérieur duquel circule un liquide de refroidissement et comportant un moteur thermique (14) destiné à être refroidi et un radiateur de refroidissement (16) fonctionnant sur l'air, - au moins un deuxième circuit fermé d'échange thermique (20) à l'intérieur duquel circule un fluide frigorigène et comportant un condenseur (24), en relation thermique directe ou indirecte avec le premier circuit d'échange thermique (12), un organe de détente (32), un évaporateur fonctionnant sur l'air (34) disposé dans une conduite d'aération pour rafraîchir l'habitacle, et un compresseur (36), et - un radiateur de chauffage (22) en relation thermique avec le condenseur (24) et disposé également dans ladite conduite d'aération (40), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'extraction (45, 46) vers l'extérieur de l'habitacle de la puissance thermique dissipée par le radiateur de chauffage (22) ou l'évaporateur (34), respectivement lorsque le radiateur de chauffage (22) fonctionne en mode pompe à chaleur sur l'air en prélevant des calories au premier circuit d'échange thermique (12) ou lorsque l'évaporateur (24) produit des frigories au sein du deuxième circuit d'échange thermique (20). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'extraction sont constitués par un volet (45; 46) obturant une conduite de dérivation détournant l'air transportant la puissance thermique dissipée pour l'évacuer en dehors de la conduite d'aération (40). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le volet (45) obturant la conduite de dérivation pour l'extraction de la puissance thermique dissipée par le radiateur de chauffage (22) est indépendant du volet (46) de la conduite de dérivation pour l'extraction de la puissance thermique dissipée par l'évaporateur (34). 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel chaque volet (45, 46) est modulable en position de manière à faire varier la puissance thermique extraite en dehors de la conduite d'aération (40). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un troisième circuit fermé d'échange thermique (30) à l'intérieur duquel circule un fluide de refroidissement et comportant le radiateur de refroidissement (16), le condenseur (24) et ledit radiateur de chauffage (22). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le radiateur de chauffage (22) et le condenseur (24) appartiennent au premier circuit d'échange thermique (12) et sont traversés par le même liquide de refroidissement que celui traversant le radiateur de refroidissement (16) et le moteur (14). 7. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le radiateur de refroidissement (16) présente une surface d'échange modulable répartie entre le premier et le troisième circuits d'échange thermique, afin de privilégier le refroidissement du moteur (14) ou le chauffage de l'habitacle.