Brevet FR2841829A1 — publié le 20040109

i ORGANE DE DETENTE POUR CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT D'UN APPAREIL DE CLIMATISATION DE VEHICULE AUTOMOBILE L'invention se rapporte à un organe de détente pour circuit de refroidissement d'un appareil de climatisation de véhicule automobile. Les appareils de climatisations utilisés habituellement dans les véhicules automobiles comprennent, d'une façon générale, une boucle de refroidissement composée d'au moins: un compresseur entraîné par le moteur thermique, un condenseur, un organe de détente et un évaporateur traversé par de l'air propulsé par un pulseur. Le compresseur, l'organe de détente, le condenseur et l'évaporateur sont typiquement reliés entre eux par des tuyaux de circulation d'un fluide de refroidissement, appelé également fluide frigorigène. En fonction des températures extérieure et/ou intérieure de l'habitacle du véhicule ainsi que du régime moteur (moteur au ralenti ou véhicule en mouvement), les besoins en d'air frais sont différents pour rafraîchir l'habitacle. Les différents organes mécaniques du système, et en particulier le compresseur et le condenseur, fonctionnent donc différemment selon les conditions de température et de régime afin de refroidir l'air de l'habitacle de manière optimisée. Ainsi, lorsque le moteur tourne au ralenti, le compresseur tourne à faible vitesse et il ne peut donc pas fournir au condenseur un fluide de refroidissement à une pression suffisante. Par conséquent, le condenseur, puis l'évaporateur, fonctionnent mal et le refroidissement de l'habitacle est moins efficace. Quand le véhicule est en mouvement, le compresseur tourne plus vite et peut donc comprimer le fluide de refroidissement à une pression plus élevée. Le condenseur et l'évaporateur fonctionnent alors de manière plus efficace pour refroidir l'habitacle. A titre d'exemple, au ralenti, le fluide se trouve sous une pression de 4 bars à une température de 80C tandis que, à vitesse normale du véhicule, la pression du fluide est de 3 bars à une température de 00C, l'efficacité du refroidissement étant supérieure dans ce dernier cas. Pour tenter de résoudre ce problème, le brevet n0 US 5 081 847 propose un appareil de climatisation pour véhicule automobile dans lequel l'organe de détente est à orifice variable, c'est-à-dire qu'elle présente un orifice central principal toujours ouvert quelle que soit la pression du fluide de refroidissement le traversant, et au moins un orifice supplémentaire périphérique s'ouvrant ou se refermant en fonction de la pression dudit fluide de refroidissement afin de s'adapter à la puissance fournie au compresseur pour optimiser le refroidissement de l'habitacle. Cet organe de détente présente, en particulier, un canal central muni d'un ressort de compression et de deux disques s'opposant à la pression du fluide et ouvrant ou non le second orifice de passage du dit fluide en fonction de la pression du fluide. Ce dispositif présente deux modes de fonctionnement distincts selon la configuration des disques d'obturation et le résultat escompté. Dans un premier mode de fonctionnement, lorsque le moteur est au ralenti et la voiture à l'arrêt, le compresseur ne peut pas fournir un flux important de fluide sous pression. Il fournit donc un fluide sous haute pression pour compenser le peu d'efficacité du condenseur traversé par un faible flux d'air. Lorsque la pression du fluide de refroidissement traversant l'organe de détente est supérieure à la force de rappel du ressort de compression, seul l'orifice principal est ouvert pour conserver ou augmenter la pression du fluide de refroidissement. Par contre, lorsque le véhicule est en mouvement, le compresseur peut fournir un débit plus important de fluide sous pression. Comme le condenseur est plus efficace du fait qu'il est traversé par un flux d'air important, la pression du fluide diminue en sortie du condenseur. Dans ce cas, lorsque la pression du fluide de refroidissement est inférieure à la force de rappel du ressort les deux orifices sont ouverts pour fournir un débit plus important de fluide de refroidissement à l'évaporateur. Dans le second mode de fonctionnement, c'est l'inverse qui se produit. Lorsque la pression du fluide de refroidissement est supérieure à la force de rappel du ressort de compression, les deux orifices sont ouverts pour fournir un débit de fluide plus important à l'évaporateur qui compense le peu d'efficacité du condenseur. Au contraire, lorsque la pression du fluide de refroidissement est inférieure à la force de rappel du ressort, seul l'orifice principal est ouvert pour envoyer un flux plus faible de fluide de refroidissement en direction de l'évaporateur. Dans ces deux modes de fonctionnement indépendants, il est ainsi possible d'optimiser le refroidissement en jouant sur le couple flux/pression à la sortie de l'organe de détente, et ce grâce à l'ouverture ou non d'un orifice périphérique. Cependant, cet organe de détente présente des inconvénients. En effet, elle est complexe à réaliser et présente une faible réactivité à la pression du fluide qui provoque des fuites et un temps de réponse allongé. Pour résoudre ces problèmes, l'invention propose qu'un obturateur soit disposé dans une zone particulière de l'organe de détente, notamment visà-vis de l'orifice périphérique, et que la pression du fluide qui permet de faire passer l'organe de détente d'une position à l'autre s'exerce directement sur cet obturateur qui pilote donc le changement de position de manière rapide et précise. Plus précisément, l'invention a pour objet un organe de détente pour circuit de transport de fluide de refroidissement d'un appareil de climatisation de véhicule, ledit organe de détente comprenant au moins: un tube creux disposé à l'intérieur d'une bague de centrage et présentant un orifice central de passage du fluide de refroidissement qui est constamment ouvert, - un orifice aménagé dans ladite bague de centrage périphériquement au tube creux et muni d'une entrée et d'une sortie de fluide de refroidissement, - un organe d'obturation de l'orifice périphérique fixé autour du tube creux et adapté pour passer, selon la pression du fluide de refroidissement et par translation axiale dudit tube, d'une première position fermée dans laquelle ledit organe d'obturation bouche l'orifice périphérique, vers une seconde position ouverte dans laquelle ledit organe d'obturation laisse passer le fluide de refroidissement au travers de l'orifice périphérique, organe de détente dans lequel l'organe d'obturation est disposé à la sortie du fluide de refroidissement de l'orifice périphérique et est passe de la première position fermée vers la seconde position ouverte lorsque la pression du fluide de refroidissement qui s'exerce directement sur ledit organe d'obturation est supérieure à la force de rappel élastique du ressort. Selon des modes de réalisation préférés de l'invention - le tube creux est monté mobile en translation à l'intérieur de la bague de centrage et l'organe de détente comprend en outre un ressort de compression prenant appui d'une part contre la bague de centrage et d'autre part contre une butée radiale fixée autour du tube creux, du côté de l'entrée de fluide de refroidissement de l'orifice périphérique, ledit ressort présentant une force de rappel élastique permettant de maintenir l'organe d'obturation dans sa première position fermée, - le tube creux est monté rotatif par rapport à la bague de centrage et tourne autour de son axe pour faire passer l'organe d'obturation de la première position fermée vers la seconde position ouverte; - l'obturateur présente une forme extérieure choisie parmi une forme sensiblement sphérique, sensiblement conique, et de disque s'étendant perpendiculaire au tube creux, Selon d'autres modes de réalisation particuliers, - l'organe d'obturation est un clapet articulé s'ouvrant lorsque la pression du fluide de refroidissement s'exerçant sur l'organe d'obturation est supérieure à la force de rappel élastique du ressort; - l'organe de détente comprend en outre au moins un deuxième orifice périphérique de passage du fluide de refroidissement pour moduler de manière plus précise la réactivité de l'organe de détente à la pression du fluide; - le deuxième orifice périphérique est disposé sensiblement symétriquement au premier orifice périphérique par rapport à l'axe du tube et il présente une section de passage inférieure à la section de passage du premier orifice périphérique; - chaque orifice périphérique est obturé par un obturateur indépendant; - la pression de fluide de refroidissement qui déclenche l'ouverture de l'organe d'obturation du premier orifice périphérique est inférieure à la pression du fluide de refroidissement qui déclenche l'ouverture de l'organe d'obturation du deuxième orifice périphérique; - l'organe de détente comprend en outre un clapet à perte de charge constante en. amont des orifices de passage du fluide de refroidissement, - l'organe de détente est monté dans une bride de fixation du circuit de transport du fluide de refroidissement. L'invention a également pour objet un appareil de climatisation pour véhicule automobile comprenant au moins, dans une boucle de circulation d'un fluide de refroidissement, un évaporateur, un compresseur, un condenseur, et un organe de détente tel que défini précédemment. 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 vue schématique d'un appareil de climatisation de véhicule automobile comprenant un organe de détente, - la figure 2, une vue en coupe d'un premier mode de réalisation de l'organe de détente conforme à l'invention dans une première position de fonctionnement, - la figure 3, une vue similaire à la figure 2 dans laquelle l'organe de détente est dans une seconde position de fonctionnement, - la figure 4, une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation de l'organe de détente conforme à l'invention, - la figure 5, une vue en coupe d'un troisième mode de réalisation de l'organe de détente conforme à l'invention, - la figure 6, une vue en coupe d'un quatrième mode de réalisation de l'organe de détente conforme à l'invention, - la figure 7, une vue en coupe d'un cinquième mode de réalisation de l'organe de détente conforme à l'invention - la figure 8, une vue similaire à la figure 7 dans laquelle l'organe de détente est dans une seconde position de fonctionnement, - la figure 9, une vue en coupe d'un sixième mode de réalisation de l'organe de détente conforme à l'invention - la figure 10, une vue en coupe selon la ligne AA de la figure 9, - la figure 11, une vue en coupe d'un septième mode de réalisation de l'organe de détente conforme à l'invention, et - la figure 12, un graphique comparatif de la pression du fluide en fonction du débit du fluide de refroidissement pour un organe de détente de l'art antérieur et pour l'organe de détente de l'invention. La figure 1 représente de manière schématique un appareil de climatisation 1 pour véhicule automobile destiné à rafraîchir son habitacle. Cet appareil 1 forme un circuit 2 à l'intérieur duquel circule en boucle fermée un fluide de refroidissement de type chlorofluorocarbone (CFC) ou un hydrofluorocarbone (HFC) tel que du R134A. L'appareil de climatisation 1 comprend notamment un évaporateur 10 traversé par de l'air pulsé qui est refroidit avant d'être distribué dans l'habitacle, un compresseur 20 alimenté en énergie par le moteur à combustion du véhicule, un condenseur 30 traversé par de l'air extérieur et un organe de détente 40, ou valve, conforme à l'invention. Le fluide de refroidissement circule à l'intérieur de ce circuit 2 à différentes pressions et différentes températures selon l'endroit o il se trouve et suit un cycle thermique avec échange indirect de chaleur avec l'extérieur. La figure 2 représente l'organe de détente 40 vu en coupe longitudinale. Le sens de circulation du fluide de refroidissement provenant du condenseur en direction de l'évaporateur est indiqué par les flèches F. Cet organe de détente comprend une bague 41 sertie dans le circuit 2. Un tube creux 42 est monté à intérieur de la bague et 41 peut coulisser axialement. Ce tube creux 42 présente un orifice central 42a de passage du fluide de refroidissement. Une butée 43 est monté à une extrémité du tube 42. Un ressort de compression 44, présentant une force de rappel élastique R dépendant de son coefficient de raideur, prend appui entre une surface radiale 43a de la butée 43 et une surface radiale 41a de la bague 41. Un orifice périphérique 45 de passage du fluide de refroidissement est également aménagé au travers de la bague 41, sensiblement parallèle à l'orifice central 42a. Cet orifice 45, typiquement un alésage traversant, présente une entrée de fluide 45a et une sortie de fluide b. La butée 43 et le ressort de compression 44 sont disposés du côté de l'entrée du fluide. Un organe d'obturation 46, de forme extérieure sensiblement sphérique, est fixé autour du tube creux 42, sensiblement à l'autre extrémité de ce dernier, c'est-à-dire du côté de la sortie de fluide 45b. Cet organe d'obturation 46 est adapté pour passer d'une première position fermée dans laquelle il bouche l'orifice périphérique 45, comme illustré par la figure 2, vers une seconde position ouverte dans laquelle il laisse passer le fluide de refroidissement au travers de l'orifice périphérique 45, comme illustré par la figure 3. Pour cela, dès que la pression du fluide de refroidissement exercée sur l'obturateur 46 dépasse un certain seuil équivalent à la force de rappel R du ressort de compression 44, l'obturateur 46 se déplace dans le sens de circulation du fluide (flèche F), comprime le ressort 44 et ouvre l'orifice périphérique 45. Le fluide de refroidissement peut alors passer à la fois par l'orifice central 42a selon la flèche Fl, et également par l'orifice périphérique selon la flèche F2 de la figure 3. La figure 4 représente une variante de réalisation dans laquelle le déplacement axial du tube 42 creux portant l'obturateur 46 est réalisé par rotation dudit tube 42 autour de son axe, comme illustré par la flèche T. Pour cela, une partie extérieure du tube 42, située entre le ressort de compression 44 et l'obturateur 46, est munie d'un filetage 47, tandis qu'une partie interne de la bague 41 présente un taraudage 48 coopérant avec le filetage 47. Lorsque la pression du fluide de refroidissement qui s'exerce sur l'obturateur 46 est supérieure à la force de rappel R du ressort de compression 44, cela provoque une rotation du tube 42 dans la bague 41, c'est-à-dire une translation dudit tube, et donc la compression du ressort 44 et l'ouverture de l'orifice secondaire 45 permettant le passage du fluide en direction de l'évaporateur 10. Les figures 5 et 6 sont des variantes de réalisation de la figure 2. Sur la figure 5, l'obturateur 46 présente une forme sensiblement conique s'évasant à partir du tube creux 42, et sur la figure 6, l'obturateur 46 présente une forme de disque ou de rondelle s'étendant radialement. Les figures 7 à 11 représentent des modes de réalisation de l'organe de détente 40 conforme à l'invention dans lesquels le tube creux 42 est mobile et l'organe de détente 40 est dépourvue de ressort de compression et de butée. Les figures 7 et 8 représentent un cinquième mode de réalisation de l'obturateur 46 qui se présente alors comme un clapet à retour 50 articulé sur le tube creux 22 et réagissant à la pression du fluide de refroidissement selon un tarage déterminé par exemple par un ressort de torsion présentant une certaine raideur. Ainsi, sur la figure 7, la pression du fluide de refroidissement qui s'exerce sur la surface active du clapet 50 étant inférieure au tarage du clapet 50, c'est-à-dire à la raideur du ressort qu'il renferme, l'orifice périphérique reste fermé et le fluide ne passe que par l'orifice central 42a. Par contre, sur la figure 8, la pression du fluide de refroidissement qui s'exerce sur la surface active du clapet 50 étant supérieure au tarage dudit clapet, celui-ci s'ouvre et le fluide peut ainsi passer par l'orifice central 42a et l'orifice périphérique 45, comme illustré respectivement par les flèches Fl et F2. La figure 9 illustre un sixième mode de réalisation de l'organe de détente 40 dans lequel des orifices périphériques 45 et 55 sont prévus et se présente typiquement sous la forme de deux alésages traversant disposés de façon diamétralement opposée l'un par rapport à l'autre et présentant des sections de passage différentes. Par exemple, le second orifice périphérique présente une section de passage inférieure à la section de passage du premier orifice périphérique 45, comme cela est illustré par la figure 10. Deux obturateurs 46 et 56 sont également prévus pour boucher ces orifices périphériques et se présentent sous forme de clapets articulés 50 et 60 à retour similaires à celui des figures 7 et 8, c'est-à-dire muni par exemple de ressort de torsion tarés. Le tarage des deux clapets 50 et 60 est tel qu'ils ne se déclenchent pas pour une même pression de fluide. Ainsi, pour une pression exercée sur les clapets inférieure à leur tarage respectif, le fluide de refroidissement passe seulement par l'orifice central 42a. Pour une pression de fluide de refroidissement légèrement supérieure au tarage du clapet 50, le fluide de refroidissement passe par l'orifice central 42a et par le premier orifice périphérique 45. Enfin, pour une pression du fluide de refroidissement supérieure au tarage du second clapet 60, le fluide passe par l'orifice central 42a, par le premier orifice périphérique 45 et par le second orifice périphérique 55. Sur la variante de réalisation de la figure 11, les deux clapets sont remplacés par un seul clapet 50 en deux parties présentant chacune un tarage différent. Avantageusement, dans les différents modes de réalisation présentés, un clapet à perte de charge constante (non représenté) de type connu est installé en amont des orifices de l'organe de détente afin d'éviter le surdébit éventuel fournit par l'organe de détente à l'évaporateur, ce qui permet d'économiser de l'énergie lors de la production de froid. Le graphique comparatif représenté sur la figure 12 illustre le 25 mode de fonctionnement de l'organe de détente 40 à orifice variable tel que décrit précédemment (courbe (A)), en comparaison avec celui d'un organe à orifice fixe de l'art antérieur (courbe (B)). La courbe (C) est établie par différence entre les valeurs des deux autres courbes. Ainsi, pour une pression du fluide de refroidissement d'environ 10,25 bars, le débit du fluide est d'environ 90 kg/h dans le cas d'un organe de détente de l'art antérieur à orifice fixe, tandis que le débit du fluide est de l'ordre de 55 kg/h dans le cas de l'organe de détente 40 conforme à l'invention à orifice variable. Lorsque la pression du fluide augmente du fait de la charge thermique élevée requise (conséquence d'une température externe élevée et/ou température basse demandée dans l'habitacle), par exemple jusqu'à 14,5 bars, chaque orifice périphérique de l'organe de détente 40 selon l'invention commence à s'ouvrir progressivement, de sorte que le débit de fluide de refroidissement augmente jusqu'à atteindre sensiblement la même valeur que celui atteint dans le cas d'un organe de détente de l'art antérieur, c'est-à-dire ici environ 145 kg/h. Ainsi, la solution de l'invention permet de mieux adapter le débit délivré en fonction de la demande et d'éviter les coups de fluide de refroidissement provoqués par l'entrée dudit fluide sous phase liquide à l'intérieur du compresseur, ce qui pourrait aboutir à une détérioration, voire une destruction, dudit compresseur. L'organe de détente 40 peut être intégré dans une bride de fixation (non représentée) telle que celles habituellement utilisées dans les circuits de refroidissement des appareils de climatisation de véhicule. Des usinages (en particulier des alésages) sont réalisés dans cette bride afin de loger l'organe de détente 40, ce qui permet un gain de place, moins de pièces à réaliser et une meilleure intégration de l'organe de détente dans l'appareil. A titre d'exemple, ladite bride peut constituer les pièces fixes de l'organe de détente, c'est-à-dire à la fois la bague de centrage 41 et le tube externe (non référencé) de la figure 2. 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 constituent en aucune manière une limitation. Ainsi, le ressort de compression peut travailler en extension dans une autre disposition. Les clapets articulés peuvent s'ouvrir en fonction de la pression du fluide de refroidissement, ou 25 bien se refermer selon leur disposition. Le nombre d'orifices périphériques peut varier selon les besoins afin de réaliser un organe de détente à multiples réglages en fonction de la pression du fluide. REVENDICATIONS 1. Organe de détente (40) pour circuit (2) de transport de fluide de refroidissement d'un appareil (1) de climatisation de véhicule, ledit organe de détente (40) comprenant au moins: - un tube creux (42) disposé à l'intérieur d'une bague de centrage (41) et présentant un orifice central (42a) de passage du fluide de refroidissement qui est constamment ouvert, - un orifice (45) aménagé dans ladite bague de centrage (41) périphériquement au tube creux (42) et muni d'une entrée (45a) et d'une sortie (45b) de fluide de refroidissement, - un organe d'obturation (46) de l'orifice périphérique (45) fixé autour du tube creux (42) et adapté pour passer, selon la pression du fluide de refroidissement et par translation axiale dudit tube (42), d'une première position fermée dans laquelle ledit organe d'obturation (46) bouche l'orifice périphérique (45) , vers une seconde position ouverte dans laquelle ledit organe d'obturation (46) laisse passer le fluide de refroidissement au travers de l'orifice périphérique (45), caractérisé en ce que l'organe d'obturation (46) est disposé du côté de la sortie du fluide de refroidissement (45b) de l'orifice périphérique (45) et en ce qu'il passe de la première position fermée vers la seconde position ouverte lorsque la pression du fluide de refroidissement qui s'exerce directement sur ledit organe d'obturation (46) est supérieure à la force de rappel élastique (R) du ressort (44). 2. Organe de détente selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube creux (42) est monté mobile en translation à l'intérieur de la bague de centrage (41) et en ce que ledit organe de détente (40) comprend en outre un ressort de compression (44) prenant appui d'une part contre la bague de centrage (41) et d'autre part contre une butée radiale (43) fixée autour du tube creux (42), du côté de l'entrée (45a) de fluide de refroidissement de l'orifice périphérique, ledit ressort (44) présentant une force de rappel élastique (R) permettant de maintenir l'organe d'obturation (46) dans sa première position fermée, 3. Organe de détente selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le tube creux (42) est monté rotatif par rapport à la bague de centrage (41) et est adapté pour tourner autour de son axe pour faire passer l'organe il d'obturation (46) de la première position fermée vers la seconde position ouverte. 4. Organe de détente selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'obturateur (46) présente une forme extérieure sensiblement sphérique. 5. Organe de détente selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'obturateur (46) présente une forme extérieure sensiblement conique. 6. Organe de détente selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'obturateur (46) présente une forme de disque s'étendant perpendiculaire au tube creux (42). 7. Organe de détente selon la revendication 1, dans lequel l'organe d'obturation (46) est un clapet articulé (50) s'ouvrant lorsque la pression du fluide de refroidissement s'exerçant sur l'obturateur (46) est supérieure à la force de rappel élastique (R) du ressort (44). 8. Organe de détente selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un deuxième orifice périphérique (55) de passage du fluide de refroidissement. 9. Organe de détente selon la revendication 8, dans lequel le deuxième orifice périphérique (55) est disposé sensiblement symétriquement au premier orifice périphérique (45) par rapport à l'axe du tube (42), et en ce que ledit deuxième orifice périphérique (55) présente une section de passage inférieure à la section de passage du premier orifice périphérique (45). 10. Organe de détente selon la revendication 8 ou 9, dans 25 lequel chaque orifice périphérique (45, 55) est obturé par un obturateur indépendant (46, 56). 11. Organe de détente selon la revendication 10, dans lequel la pression de fluide de refroidissement qui déclenche l'ouverture de l'organe d'obturation (46) du premier orifice périphérique (45) est inférieure à la pression du fluide de refroidissement qui déclenche l'ouverture de l'organe d'obturation (56) du deuxième orifice périphérique (55). 12. Organe de détente selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un clapet à perte de charge constante en amont des orifices de passage du fluide de refroidissement. 13. Organe de détente selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est monté dans une bride de fixation du circuit (2) de transport du fluide de refroidissement. 14. Appareil de climatisation (1) pour véhicule automobile comprenant au moins, dans une boucle de circulation (2) d'un fluide de refroidissement, un évaporateur (10), un compresseur (20), un condenseur (30), et un organe de détente (40) selon l'une quelconque des revendications précédentes.