Brevet FR2848149A1 — publié le 20040611

BOUCLE DE CLIMATISATION D'UN APPAREIL DE VENTILATION, DE CHAUFFAGE, ET/OU DE CLIMATISATION POUR HABITACLE DE VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT AU MOINS UN ORGANE MUNI D'UNE INSTRUMENTATION INTEGREE L'invention se rapporte à une boucle de climatisation d'un appareil de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation pour habitacle de véhicule automobile comprenant au moins un organe muni d'une instrumentation intégrée. Dans une boucle typique de climatisation d'un appareil de 10 ventilation, de chauffage et/ou de climatisation pour véhicule automobile, il est en général difficile d'accéder aux informations quantitatives et/ou qualitatives sur le fonctionnement physique dudit appareil et de ses différents organes qui le constituent, notamment en ce qui concerne la pression, la vitesse d'écoulement, ou la température du fluide de refroidissement utilisé. Or ces 15 données peuvent être très utiles pour améliorer le fonctionnement et le rendement de la boucle, afin d'optimiser le confort des passagers du véhicule. Il est connu d'utiliser des capteurs communs de pression et/ou de température montés en sortie ou à l'intérieur d'organes, tels qu'un compresseur, un échangeur thermique, un évaporateur, un condenseur, un organe de détente 20 ou une canalisation de circulation d'un fluide caloporteur. Dans les solutions de l'art antérieur, ces capteurs, sont de type intrusif, c'est-à-dire que leur mise en place nécessite la vidange de la boucle de climatisation, et ce à chaque installation ou remplacement d'un capteur. Cela engendre donc des incertitudes importantes dans la précision des mesures. Ils peuvent également 25 être nuisibles à l'étanchéité du circuit de fluide, ce qui est un inconvénient majeur, notamment dans le cas d'un compresseur o les pressions atteintes peuvent dépasser 28 bars pour un fluide réfrigérant de type R134A et 135 bars pour un fluide super-critique de type CO2 (R744). Résoudre un tel problème d'étanchéité rend le cot de l'appareil prohibitif. Pour résoudre ces problèmes, l'invention propose d'intégrer de manière non intrusive un capteur dans ledit organe. Plus précisément, l'invention a pour objet une boucle de climatisation d'un appareil de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation pour habitacle de véhicule automobile, à l'intérieur de laquelle circule un fluide 35 caloporteur et comprenant une pluralité d'organes parmi au moins un évaporateur, un échangeur refroidisseur de gaz, un compresseur, un échangeur de chaleur, une vanne de détente et au moins une canalisation de circulation d'un fluide caloporteur pour former un circuit d'échange thermique, caractérisé en ce l'un au moins desdits organes comprend au moins une cavité borgne allongée par rapport à l'organe et ouverte vers l'extérieur dudit 5 organe, ladite au moins une cavité formant partie intégrante de l'organe et recevant un moyen de mesure d'une grandeur caractéristique dudit fluide caloporteur, choisie parmi sa pression, sa vitesse d'écoulement et sa température. Ainsi, la forme de la cavité n'est pas intrusive car l'organe qui 10 la supporte est conçu et pensé pour que cette forme ne nuise pas au fonctionnement de l'organe et donc de la boucle. De préférence, ladite au moins une cavité est réalisée lors de la fabrication de l'organe de façon à former un ensemble unitaire avec celuici. Afin d'améliorer la précision de la mesure, ladite au moins une 15 cavité pénètre à l'intérieur de l'organe sur une profondeur telle que la surface d'échange thermique entre la cavité et le fluide caloporteur circulant au sein dudit organe est maximale. Dans le but de maintenir le moyen de mesure à l'intérieur de la cavité tout en réduisant les pertes thermiques, le moyen de mesure est 20 entouré d'une pâte conductrice de la chaleur. Avantageusement, ladite au moins une cavité présente une forme de doigt de gant sensiblement cylindrique. Afin d'affiner la précision des résultats, une seconde cavité est aménagée dans l'organe et renferme un second moyen de mesure faisant 25 office de capteur de référence. De préférence, le moyen de mesure est un thermocouple ou un capteur à coefficient de température négatif. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins 30 annexés donnés à titre d'exemple qui représentent respectivement: - la figure 1, une vue schématique d'une boucle de climatisation d'un appareil de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation d'un véhicule automobile, - la figure 2, une vue détaillée en coupe d'un évaporateur 35 appartenant à ladite boucle de climatisation et équipé d'un capteur de mesure intégré, - la figure 3, une vue en coupe d'une variante de réalisation de la figure 2, et - les figures 4 et 5, des diagrammes de Mollier illustrant respectivement les zones ou un fluide réfrigérant tel que du R134 ou du CO2 est diphasique. La figure 1 représente de manière schématique une boucle de climatisation 10 d'un appareil de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation pour habitacle de véhicule automobile. Cette boucle 10 comprend typiquement un évaporateur 12, un échangeur refroidisseur de gaz 10 14 tel qu'un condenseur, un compresseur 16, un échangeur de chaleur 18, tel qu'un radiateur, et une vanne de détente 20. Des canalisations 24 et 26 de circulation d'un fluide caloporteur, par exemple un réfrigérant du type R134A, relient les différents organes entre eux, en circuits fermés. La figure 2 représente, en vue détaillée en coupe, un des 15 organes de l'appareil, par exemple l'évaporateur 12. Cet évaporateur 12 comprend une cavité 30 en forme de " doigt de gant " sensiblement cylindrique ouverte sur l'extérieur de l'évaporateur 12 et borgne vers l'intérieur de celuici. Cette cavité 30 plonge à l'intérieur de l'évaporateur 12 pour être au contact du fluide caloporteur, au plus près de la zone o il est souhaitable de 20 réaliser la mesure. Ainsi, la cavité 30 est positionnée au sein de l'évaporateur 12 de telle sorte qu'une surface de contact maximum soit créée entre ladite cavité 30 et le fluide afin que l'échange thermique entre les deux soit le plus important possible pour permettre d'améliorer la précision de la mesure et la constante de temps du système. En pratique, cela signifie que la cavité 30 25 baigne quasiment intégralement dans le fluide. Lors de la fabrication de l'organe, en l'occurrence ici de l'évaporateur 12, la cavité borgne 30 est réalisée en même temps que ledit organe, par exemple par moulage, pour former un ensemble unitaire. Ainsi, une étanchéité parfaite au fluide circulant à l'intérieur dudit organe est créée 30 car il ne s'agit pas d'une pièce rapportée ultérieurement, par exemple par vissage. Une pâte 35 conduisant la chaleur est intercalée entre la paroi interne 32 de la cavité 30 et un capteur de mesure 40 inséré dans ladite cavité 30, de manière non intrusive à l'intérieur de l'évaporateur. Cette pâte 35 35 maintient le capteur 40 en place dans la cavité 30 et permet de conduire la chaleur dégagée par le fluide circulant dans l'évaporateur jusqu'au capteur 40 en réduisant les pertes thermiques. Le capteur 40, typiquement un thermocouple ou un capteur à coefficient de température négatif, permet de mesurer la température du fluide caloporteur, ce qui permet de déduire par calcul physique (expliqué plus loin) la pression ou le débit dudit fluide dans 5 une zone o il est diphasique. Le capteur 40 est reliée à un dispositif de traitement du signal (non représenté) permettant de prendre en considération la grandeur mesurée pour adapter le fonctionnement de l'appareil ou vérifier son état, par exemple en intervenant sur la mise en/hors fonctionnement du compresseur. Selon une variante de réalisation représentée sur la figure 3, deux capteurs identiques 40 et 40' sont placés chacun dans une cavité 30 aménagée directement dans l'évaporateur, comme précédemment, les deux cavités 30 étant très proches l'une de l'autre. A l'aide de ce dispositif, il est ainsi possible de réaliser une mesure quantitative d'une grandeur physique 15 relative au fluide. A cet effet, le second capteur 40' fait office de capteur de référence. Pour cela, ce capteur de référence 40' reçoit, d'une source d'énergie, une quantité d'énergie fixée et déterminée par la relation Q=R12 de sorte qu'il est possible de mesurer sa température (son échauffement) de manière très précise. Dans ce cas, l'écart entre la température T du capteur 20 de référence 40' et la température Tr mesurée à l'aide du capteur de mesure étant proportionnel à la puissance Q fournie au capteur de référence 40', il est possible de déduire le débit du fluide à l'aide de la relation suivante: Q = R12 = ks. (T - Tr) O k est la conductance du matériau de la cavité en W/m2.0C, 25 s est la surface d'échange de la cavité avec le fluide, T est la température de référence, Tr est la température mesurée et le produit ks est une fonction du débit massique M du fluide, de sa pression et de sa température selon la relation suivante: ks = f (M, pression, température) En forme simplifiée, cette loi donne: ks = a.Mb avec a = f (Pression, Température) et b représentant le coefficient d'échange thermique. Par exemple, si la cavité 30 de mesure est assimilable à un 35 tube de 2 mm de diamètre et de 15 mm de longueur, la surface d'échange s = X x 2 x 15 = 9,4. 10-5 m2. Si l'échange de chaleur entre la cavité 30 et le fluide est égal à environ 800 W/m2.0K, alors ks= 0,0752 W/0C. Ainsi, si le capteur de référence 40' est chauffé avec une puissance Q égale à 1 W, alors (T-Tr) = 13,30C. De même, si le capteur de 5 référence est chauffé avec une puissance Q égale à 2 W, alors (T-Tr) = 26,60C. L'avantage de réaliser une mesure à 2W par rapport à une mesure à 1W est qu'à 26,60C, l'incertitude relative de la mesure consécutive à la précision du capteur (environ 20C) est plus faible que pour une mesure à 13,3C. Il est alors possible de déduire le débit du fluide à l'aide de la relation suivante: Q = ks. (T - Tr), c'est-à-dire: ks = Q/(T - Tr). En utilisant la loi ks = a.Mb, on obtient ainsi M = (ks/a)1/b, M étant le débit massique du fluide. Ceci n'est bien sur possible que lorsque le capteur est placé dans une zone diphasique (zone dans laquelle s'applique la loi de saturation des gaz). Les figures 4 et 5 sont deux représentations du diagramme de Mollier, une pour le R134A (figure 4) et l'autre pour le C02 (figure 5). Ces diagrammes illustrent les zones ou le fluide est diphasique, c'est-à-dire là o le débit massique peut être estimer par la loi de saturation. Ce calcul n'est pas applicable pour une zone tout liquide (ex: 25 sortie du condenseur) ou tout gazeux (ex: sortie de l'évaporateur ou du compresseur). Néanmoins, il peut être intéressant de connaître la température du fluide dans ces zones. A l'aide de la loi connue de saturation des fluides reliant pression et température lors du changement de phase, il est aussi possible de 30 déterminer la pression du fluide réfrigérant circulant dans l'organe en fonction de sa température mesurée à l'aide du capteur de mesure. Cette information peut être utile lorsque l'organe est par exemple un compresseur, en plaçant le capteur dans la zone basse pression ou la zone haute pression et en considérant que le mélange de fluide est de type diphasique à cet endroit. 35 Les avantages procurés par l'invention sont les suivants: - pas de problème d'étanchéité, - interchangeabilité des capteurs, et - pas de vidange du circuit de la boucle. 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 S constituent en aucune manière une limitation. Ainsi, l'invention s'applique à tout type d'organe appartenant à un circuit thermique d'un appareil de ventilation, de chauffage et/ou de ventilation autre que l'évaporateur, notamment l'échangeur refroidisseur de gaz (condenseur dans le cas du R134A), le compresseur, une vanne de 10 détente, etc.... Le capteur peut également être placé en sortie ou en entrée de l'un de ces organes, dans une canalisation de circulation du fluide de refroidissement. Dans le mode de réalisation illustré, la boucle 10 fonctionne 15 avec un fluide réfrigérant de type R134A, mais un fluide supercritique tel que du C02 peut aussi être utilisé. REVENDICATIONS 1. Boucle de climatisation d'un appareil de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation (10) pour habitacle de véhicule automobile, à l'intérieur de laquelle circule un fluide caloporteur et comprenant une pluralité 5 d'organes parmi au moins un évaporateur (12), un échangeur refroidisseur de gaz (14), un compresseur (16), un échangeur de chaleur (18), une vanne de détente (20) et au moins une canalisation (24; 26) de circulation d'un fluide caloporteur pour former un circuit d'échange thermique, caractérisé en ce que l'un au moins desdits organes comprend au moins une cavité borgne (30) 10 allongée par rapport audit organe et ouverte vers l'extérieur de celui-ci, ladite au moins une cavité (30) formant partie intégrante de l'organe et recevant un moyen de mesure (40) d'une grandeur caractéristique dudit fluide caloporteur, choisie parmi sa pression, sa vitesse d'écoulement et sa température. 2. Boucle de climatisation selon la revendication 1, dans 15 laquelle ladite au moins une cavité (30) est réalisée lors de la fabrication de l'organe (12 14 16; 18; 20; 24; 26) de façon à former un ensemble unitaire avec celui-ci. 3. Boucle de climatisation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ladite au moins une cavité (30) pénètre à l'intérieur de l'organe (12; 20 14; 16; 18; 20; 24; 26) sur une profondeur telle que la surface d'échange thermique entre la cavité (30) et le fluide caloporteur circulant au sein dudit organe (12; 14; 16; 18; 20; 24; 26) est maximale. 4. Boucle de climatisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le moyen de mesure (40) est 25 entouré d'une pâte (35) conductrice de la chaleur. 5. Boucle de climatisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite au moins une cavité (30) présente une forme de doigt de gant sensiblement cylindrique. 6. Boucle de climatisation selon l'une quelconque des 30 revendications précédentes, dans laquelle une seconde cavité (30) est aménagée dans l'organe et renferme un second moyen de mesure (40') faisant office de capteur de référence. 7. Boucle de climatisation selon la revendication 6, dans laquelle, le second capteur (40') est relié à une source d'énergie délivrant une 35 quantité d'énergie déterminée de telle sorte que, pour ladite quantité d'énergie, l'écart de température entre la température mesurée à l'aide du premier capteur (40) et la température de référence mesurée par le second capteur (40') est représentatif du débit du fluide. 8. Boucle de climatisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le moyen de mesure (40; 40') est un thermocouple. 9. Boucle de climatisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le moyen de mesure (40; 40') est un capteur à coefficient de température négatif.