Brevet FR2836211A1 — publié le 20030822

Séparateur liquide/vapeur dans une boucle de climatisation L'invention concerne une boucle de fluide réfrigérant, notamment pour une installation de climatisation de l'habitacle d'un véhicule, comprenant un compresseur propre à élever la pression du fluide à l'état gazeux, un condenseur propre à condenser le fluide comprimé par le compresseur, un moyen de détente propre à abaisser la pression du fluide condensé, et un évaporateur propre à faire passer le fluide détendu de l'état liquide à l'état gazeux avant son retour au compresseur, ainsi qu'un séparateur de phases pour éviter l'entrée de fluide à l'état liquide dans le compresseur. On connaît de telles boucles dans lesquelles le séparateur de phases est un composant complexe, couteux et volumineux, assurant en même temps les fonctions de réservoir pour absorber les variations de volume de fluide dans la boucle, et de filtre. Le but de l'invention est de réaliser la séparation des phases par des moyens simples et économiques, et prenant peu de place, le manque de place étant une contrainte fréquente dans la construction automobile. L'invention vise notamment une boucle du genre défini en introduction, et prévoit que dans le séparateur de phases, disposé dans l'évaporateur ou après celui-ci, le fluide circule dans une direction longitudinale sensiblement horizontale et rencontre des éléments perturbateurs propres à intercepter les gouttelettes liquides éventuellement contenues dans le fluide de manière à les rassembler sur une paroi collectrice, seul le fluide à l'état gazeux étant ramené au compresseur. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou de substitution, sont énoncées ci-après : - Ladite paroi collectrice est une paroi sensiblement cylindrique d'axe sensiblement horizontal délimitant le volume intérieur du séparateur de phases. - Les éléments perturbateurs sont formés ou rapportés en saillie sur ladite paroi sensiblement cylindrique. - Les éléments perturbateurs comprennent une paroi déflectrice physiquement séparée de la paroi collectrice et propre à projeter lesdites gouttelettes contre celle-ci. - Le séparateur de phases comprend un tube coudé possédant une première branche orientée dans ladite direction longitudinale et au moins une seconde branche orientée transversalement à ladite direction longitudinale, le fluide circulant dans le tube coudé de la première branche à la seconde branche et ladite paroi déflectrice étant formée par la paroi du tube coudé à la jonction desdites branches. - La sortie de la seconde branche est située au voisinage immédiat de la paroi collectrice. - La sortie de la seconde branche est évasée. - Le tube coudé possède au moins deux secondes branches, les secondes branches étant disposées de manière divergente autour de l'axe de la première branche. - Ladite paroi déflectrice est formée par une bande tordue en hélice. - Ladite paroi déflectrice est formée par au moins une ailette s'étendant radialement à partir d'un noyau axial sensiblement sur tout le périmètre de celui-ci. - La paroi déflectrice comprend au moins une ailette enroulée en hélice. - La paroi déflectrice comprend une multiplicité d'ailettes disposées le long d'une hélice. - La paroi déflectrice comprend une multiplicité d'ailettes disposées en quinconce. - La bande tordue en hélice ou les ailettes sont perforées. - Les bords de la bande tordue en hélice ou des ailettes présentent des découpes. - Ladite paroi cylindrique a une section circulaire de diamètre égal ou supérieur à la largeur de la bande ou au diamètre extérieur des ailettes. - Des moyens sont prévus pour recueillir de l'huile se rassemblant dans le séparateur de phases et la retourner au compresseur. - Le séparateur de phases est un composant interposé entre la sortie de l'évaporateur et l'entrée du compresseur. - Le séparateur de phases est logé dans un espace de sortie de l'évaporateur. - La boucle comprend un réservoir propre à absorber les variations de volume du fluide. - Le réservoir est intégré au condenseur, celui-ci comportant une zone de sous-refroidissement en aval du réservoir. - Le détendeur est sous la forme d'un orifice calibré. L'invention a également pour objet un séparateur de phases indépendant, et un évaporateur comprenant un séparateur de phases logé dans un espace de sortie, utilisables dans une boucle telle que définie ci-dessus. 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 schéma d'une boucle de fluide réfrigérant selon l'invention pour une installation de climatisation de véhicule. La figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un séparateur de phases utilisable dans le circuit de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2. Les figures 4 et 5 sont des vues analogues à la figure 3, relatives à des variantes. Les figures 6 et 7 sont des vues analogues aux figures 2 et 3 respectivement, relatives à une autre variante. Les figures 8,10, 12,14, 15,17, 18 et 20 sont des vues partielles en coupe longitudinale de séparateurs de phases selon l'invention. Les figures 9,11 et 13 sont des vues en bout d'inserts appartenant aux séparateurs de phases des figures 8,10 et 12 respectivement. Les figures 16 et 19 sont des vues en coupe transversale des séparateurs de phases des figures 14 et 18 respectivement. La figure 21 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un évaporateur selon l'invention. La boucle représentée schématiquement sur la figure 1, désignée par la référence 1, comprend de manière classique un compresseur 2, un condenseur 3, un détendeur 4 et un évaporateur 5. L'évaporateur 5 est destiné à extraire de la chaleur d'un flux d'air pour la transférer au fluide circulant dans la boucle, et le condenseur 3 est destiné à extraire cette chaleur, ainsi que celle produite par la compression du fluide dans le compresseur 2, pour la transférer à l'atmosphère extérieure au véhicule. La boucle 1 comprend également un séparateur de phases 6 selon l'invention, disposé entre la sortie de l'évaporateur 5 et l'entrée du compresseur 2. Dans l'exemple représenté sur les figures 2 et 3, le séparateur de phases comprend un boîtier cylindrique de révolution 10, orienté horizontalement, limité par une paroi latérale cylindrique 11 et deux parois d'extrémités 12 et 13. La paroi d'extrémité 12 est traversée de manière étanche par une branche 14, s'étendant horizontalement selon l'axe du boîtier 10, d'un tube en forme de T, lequel est complété par une branche transversale 15 ouverte à ses deux extrémités qui sont très proches de la paroi 11. L'extrémité de la branche 14 opposée à la branche 15 est raccordée à la sortie de l'évaporateur 5, tandis qu'une tubulure de sortie 16 partant de la paroi 13 est raccordée à l'entrée du compresseur 2. Lors du fonctionnement de la boucle, le fluide provenant de l'évaporateur circule dans la branche 14 en direction de la branche 15. Parvenu à l'extrémité aval de la branche 14, il frappe la paroi de la branche 15 orientée transversalement. Les gouttelettes de liquide qu'il peut contenir sont ensuite projetées contre la paroi 11 par les extrémités ouvertes de la branche 15. Une partie au moins des gouttelettes est vaporisée à la suite des impacts contre la paroi de la branche 15 et contre la paroi 11. Le reliquat éventuel se rassemble le long de la génératrice inférieure de la paroi 11 pour être vaporisé ultérieurement, tandis que le fluide à l'état gazeux quitte le boîtier 10 par la tubulure 16 pour être acheminé à l'entrée du compresseur 2. On voit également sur la figure 2 une fine tubulure de retour d'huile 17 qui passe à l'intérieur de la tubulure 16 et débouche dans le boîtier 10 juste au-dessus de la génératrice inférieure de la paroi 11. Cette tubulure sert à recueillir les particules d'huile de lubrification mélangées au fluide réfrigérant dans le compresseur, qui sont séparées du fluide gazeux en même temps que les gouttelettes de fluide réfrigérant liquide, de manière à ramener cette huile au compresseur. Une telle tubulure de retour d'huile, bien que non représentée, est avantageusement prévue également dans les exemples des figures 8 à 21. Dans la variante de la figure 4, le tube de circulation du fluide comporte, au lieu d'une branche diamétrale unique (ou de deux branches radiales opposées) 15, trois branches radiales 20 disposées en étoile, à un écartement angulaire mutuel de 1200. De même, dans la variante de la figure 5, le tube comporte quatre branches radiales (ou deux branches diamétrales) 21 disposées en croix, c'est-à-dire mutuellement perpendiculaires. Bien entendu, ces exemples ne sont pas limitatifs quant au nombre et à la disposition des branches transversales du tube. En particulier, il est possible de prévoir une branche radiale unique reliée à la branche longitudinale par un coude. La ou les branches transversales ne sont pas nécessairement orientées perpendiculairement à l'axe du boîtier et peuvent être inclinées. L'exemple illustré aux figures 6 et 7 diffèrent de celui des figures 2 et 3 en ce que les extrémités ouvertes de la branche transversale 22 sont évasées. Bien entendu, cette particularité peut être adoptée quels que soient le nombre et la disposition des branches transversales. Les séparateurs de phases représentés sur les figures 8 à 13 possèdent eux aussi un boîtier cylindrique comportant une paroi latérale 25 et deux parois d'extrémité non représentées, qui sont munies respectivement d'une ouverture d'entrée et d'une ouverture de sortie pour le fluide. Un noyau cylindrique de révolution 26 est disposé à l'intérieur du boîtier, coaxialement à celui-ci, et délimite avec la paroi 25 un espace annulaire 27 pour la circulation du fluide. Le noyau 26 peut être un corps creux en tôle muni d'au moins une cloison transversale empêchant le fluide de circuler à l'intérieur du noyau. Dans l'exemple des figures 8 et 9, une ailette 28 solidaire du noyau s'étend radialement à partir de celui-ci jusqu'au contact de la paroi 25 ou au voisinage immédiat de celle-ci. Comme on le voit sur la figure 8, la forme de l'ailette 28 est celle engendrée par un segment de droite orienté radialement dont l'origine se déplace le long d'une hélice 29 tracée sur le noyau. La figure 9 montre des perforations 30 ménagées dans l'ailette 28 et réparties autour de l'axe du noyau. L'ailette 28 forme un obstacle à la circulation longitudinale du fluide, et projette les gouttelettes éventuelles contre la paroi 25. Les perforations 30 amplifient le caractère turbulent de la circulation du fluide. Dans l'exemple des figures 10 et 11, l'ailette hélicoïdale 28 est remplacée par une multiplicité d'ailettes 35 s'étendant radialement à partir d'emplacements situés sur le noyau 26 le long d'une hélice 36. Les ailettes 35 sont sensiblement jointives le long de l'hélice et peuvent même se recouvrir partiellement. Dans l'exemple des figures 12 et 13, des ailettes 40 s'étendent radialement à partir du noyau 26 et sont contenues dans plusieurs plans perpendiculaires à l'axe du noyau. Plusieurs ailettes 40 sont disposées dans un même plan, et les ailettes contenues dans des plans consécutifs sont décalées angulairement, formant une disposition en quinconce. Dans l'exemple illustré, chaque plan contient quatre ailettes disposées en croix, et les ailettes de deux plans voisins sont mutuellement décalées de 30 , de sorte que les ailettes présentent dans leur ensemble douze orientations différentes autour de l'axe et occupent dans leur ensemble la majorité de la section transversale du volume annulaire 27. Les figures 14 à 20 illustrent des exemples dans lesquels la totalité ou la quasi totalité du volume intérieur du séparateur de phases est ouverte à la circulation du fluide. Dans l'exemple des figures 14 et 16, le boîtier, dont seule la paroi cylindrique 40 est partiellement représentée, contient exclusivement une bande 41 dont la largeur correspond au diamètre intérieur de la paroi 40. Cette bande est tordue en hélice, c'est-à-dire que sa forme est celle engendrée par un diamètre de la paroi 40 dont chaque extrémité se déplace le long d'une hélice tracée sur la paroi. Des perforations 42 sont aménagées à travers la bande 41, à milargeur de celle-ci, et réparties sur sa longueur. La bande 41 et les perforations 42 jouent le même rôle que les ailettes et les perforations des exemples des figures 8 à 13. Dans la variante de la figure 15, les perforations 42 sont remplacées par des encoches 43 ménagées sur les bords de la bande et réparties le long de celle-ci. La figure 17 illustre une autre variante dans laquelle la bande diamétrale est remplacée par une bande 50 dont la largeur est sensiblement inférieure au diamètre intérieur de la paroi cylindrique 51 du boîtier. L'axe médian de la bande 50 est disposé en hélice. Cette bande peut être fixée par endroits à la paroi 51, par exemple par des soudures. Dans des variantes non illustrées, des perforations telles que 30 ou 42 ou des encoches telles que 43 peuvent être prévues dans les ailettes des figures 10 à 13 ou dans la bande de la figure 17. De même, les perforations 30 de la figure 9 peuvent être supprimées ou remplacées par des encoches. Dans les exemples des figures 18 à 20, le boîtier du séparateur de phases ne contient aucun insert, seules des irrégularités de sa paroi agissant pour intercepter les gouttelettes. Sur les figures 18 et 19, ces irrégularités sont constituées par des nervures hélicoïdales 60 formées sur la paroi cylindrique 61. Sur la figure 20, il s'agit de saillies discrètes 70 formées sur la paroi cylindrique 71, s'étendant chacune sur une fraction du périmètre de celle-ci et avec un décalage angulaire mutuel, et orientées obliquement par rapport à l'axe longitudinal. Enfin, la figure 21 illustre un évaporateur selon l'invention. Cet évaporateur 80 est constitué essentiellement par un empilement de plaques et d'intercalaires ondulés tel que décrit par exemple dans FR 2 747 462 A, auquel on pourra se reporter pour plus de détails sur la structure de cet empilement. Les plaques sont mutuellement alignées dans une direction longitudinale (de gauche à droite de la figure), et présentent deux boîtes collectrices 81,82 mutuellement juxtaposées dans une direction latérale (de haut en bas), formées chacune par l'alignement, dans la direction longitudinale, de chambres d'entrée ou de sortie 83 appartenant respectivement aux différentes plaques 84. Les boîtes collectrices sont subdivisées dans leur ensemble en conduites de liaison, les conduites de liaison qui appartiennent à une même boîte collectrice se succédant dans la direction longitudinale et ne communiquant pas directement entre elles, tandis que dans chaque conduite de liaison les chambres d'entrée ou de sortie communiquent mutuellement par des ouvertures 85 ménagées dans les parois des plaques, les plaques définissant un parcours pour le premier fluide entre une conduite de liaison amont 86 et une conduite de liaison aval 87, en passant alternativement d'une conduite de liaison appartenant à l'une des boites collectrices à une conduite de liaison appartenant à l'autre boîte collectrice, par l'intermédiaire de trajets en U dont chacun relie entre elles les chambres d'entrée et de sortie d'une même plaque. La conduite de liaison amont, par l'intermédiaire d'une tubulure longitudinale 88, et la conduite de liaison aval sont reliées à des passages d'entrée et de sortie 89,90 prévus à une même extrémité 91 de l'empilement. Selon l'invention, un élément perturbateur tel que ceux décrits précédemment est logé dans la conduite de liaison aval 87, en l'occurrence une bande 92 tordue en hélice comme décrit à propos des figures 14 à 16. Bien entendu, un séparateur de phases selon l'invention peut être incorporé à un évaporateur d'un type différent de celui illustré. De même, les autres formes décrites de séparateurs de phases peuvent être incorporées à un évaporateur. Le séparateur de phases selon l'invention ne jouant pas le rôle de réservoir de fluide, il est avantageux d'utiliser un condenseur comportant un tel réservoir intégré et une zone de sous-refroidissement. Par ailleurs, l'invention s'applique avantageusement à une boucle de fluide réfrigérant dans lequel la détente du fluide est assurée par un orifice calibré ou par un détendeur thermostatique. Revendications 1. Boucle (1) de fluide réfrigérant, notamment pour une installation de climatisation de l'habitacle d'un véhicule, comprenant un compresseur (2) propre à élever la pression du fluide à l'état gazeux, un condenseur (3) propre à condenser le fluide comprimé par le compresseur, un moyen de détente (4) propre à abaisser la pression du fluide condensé, et un évaporateur (5) propre à faire passer le fluide détendu de l'état liquide à l'état gazeux avant son retour au compresseur (2), ainsi qu'un séparateur de phases (6) pour éviter l'entrée de fluide à l'état liquide dans le compresseur, caractérisée en ce que dans le séparateur de phases, disposé dans l'évaporateur ou après celui-ci, le fluide circule dans une direction longitudinale sensiblement horizontale et rencontre des éléments perturbateurs (15) propres à intercepter les gouttelettes liquides éventuellement contenues dans le fluide de manière à les rassembler sur une paroi collectrice (11), seul le fluide à l'état gazeux étant ramené au compresseur. 2. Boucle selon la revendication 1, dans laquelle ladite paroi collectrice est une paroi sensiblement cylindrique (11) d'axe sensiblement horizontal délimitant le volume intérieur du séparateur de phases. 3. Boucle selon la revendication 2, dans laquelle les éléments perturbateurs (60) sont formés ou rapportés en saillie sur ladite paroi sensiblement cylindrique (61). 4. Boucle selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle les éléments perturbateurs comprennent une paroi déflectrice (15) physiquement séparée de la paroi collectrice (11) et propre à projeter lesdites gouttelettes contre celle- ci. 5. Boucle selon la revendication 4, dans laquelle le séparateur de phases comprend un tube coudé (14,15) possédant une première branche (14) orientée dans ladite direction longitudinale et au moins une seconde branche (15) orientée transversalement à ladite direction longitudinale, le fluide circulant dans le tube coudé de la première branche à la seconde branche et ladite paroi déflectrice étant formée par la paroi du tube coudé à la jonction desdites branches. 6. Boucle selon la revendication 5, dans laquelle la sortie de la seconde branche est située au voisinage immédiat de la paroi collectrice. 7. Boucle selon l'une des revendications 5 et 6, dans laquelle la sortie de la seconde branche (22) est évasée. 8. Boucle selon l'une des revendications 5 à 7, dans laquelle le tube coudé possède au moins deux secondes branches (20), les secondes branches étant disposées de manière divergente autour de l'axe de la première branche. 9. Boucle selon la revendication 4, dans laquelle ladite paroi déflectrice est formée par une bande (41) tordue en hélice. 10. Boucle selon la revendication 4, dans laquelle ladite paroi déflectrice est formée par au moins une ailette (28) s'étendant radialement à partir d'un noyau axial (26) sensiblement sur tout le périmètre de celui-ci. 11. Boucle selon la revendication 10, dans laquelle la paroi déflectrice comprend au moins une ailette (28) enroulée en hélice. 12. Boucle selon la revendication 10, dans laquelle la paroi déflectrice comprend une multiplicité d'ailettes (35) disposées le long d'une hélice (36). 13. Boucle selon la revendication 10, dans laquelle la paroi déflectrice comprend une multiplicité d'ailettes (40) disposées en quinconce. 14. Boucle selon l'une des revendications 9 à 13, dans laquelle la bande tordue en hélice (41) ou les ailettes (28) sont perforées (30,42). 15. Boucle selon l'une des revendications 9 à 14, dans laquelle les bords de la bande tordue en hélice ou des ailettes présentent des découpes (43). 16. Boucle selon l'une des revendications 9 à 15, dans laquelle ladite paroi cylindrique (25,40) a une section circulaire de diamètre égal ou supérieur à la largeur de la bande ou au diamètre extérieur des ailettes. 17. Boucle selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle des moyens (17) sont prévus pour recueillir de l'huile se rassemblant dans le séparateur de phases et la retourner au compresseur. 18. Boucle selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le séparateur de phases est un composant (6) interposé entre la sortie de l'évaporateur (5) et l'entrée du compresseur (2). 19. Boucle selon l'une des revendications 1 à 17, dans laquelle le séparateur de phases est logé dans un espace de sortie (87) de l'évaporateur (80). 20. Boucle selon l'une des revendications précédentes, comprenant un réservoir propre à absorber les variations de volume du fluide. 21. Boucle selon la revendication 20, dans laquelle le réservoir est intégré au condenseur (3), celui-ci comportant une zone de sous-refroidissement en aval du réservoir. 22. Boucle selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le détendeur est sous la forme d'un orifice calibré. 23. Séparateur de phases utilisable dans une boucle selon la revendication 18, dans lequel le fluide circule dans une direction longitudinale sensiblement horizontale et rencontre des éléments perturbateurs (15) propres à intercepter les gouttelettes liquides éventuellement contenues dans le fluide de manière à les rassembler sur une paroi collectrice (11), seul le fluide à l'état gazeux étant acheminé à la sortie du séparateur de phases. 24. Évaporateur (80) utilisable dans une boucle selon la revendication 19, comprenant un séparateur de phases logé dans un espace de sortie (87), dans lequel le fluide circule dans une direction longitudinale sensiblement horizontale et rencontre des éléments perturbateurs (92) propres à intercepter les gouttelettes liquides éventuellement contenues dans le fluide de manière à les rassembler sur une paroi collectrice, seul le fluide à l'état gazeux étant acheminé à la sortie de l'évaporateur.