Brevet FR2875743A1 — publié le 20060331

Refroidisseur de gaz pour un circuit de climatisation de véhicule automobile L'invention se rapporte au domaine des circuits de climatisation pour véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un refroidisseur de gaz pour un circuit de climatisation de véhicule automobile, parcouru par un fluide réfrigérant fonctionnant à l'état supercritique, le véhicule comportant un moteur refroidi par un liquide de refroidissement circulant dans une boucle de refroidissement. Dans un circuit de climatisation classique, le fluide réfrigérant, généralement un composé fluoré, est présent sous deux phases différentes, à savoir une phase gazeuse et une phase liquide. Ces circuits classiques ont pour principal inconvénient d'utiliser des fluides réfrigérants qui, en cas de fuite, dégagent dans l'atmosphère des composés néfastes pour l'environnement. Pour éviter l'utilisation de fluides nocifs, on a proposé de remplacer ces fluides réfrigérants fluorés par des fluides moins nocifs, en particulier par des composés naturels, tels que par exemple le dioxyde de carbone. Ces circuits de climatisation utilisent un fluide fonctionnant à l'état supercritique, et restant la plupart du temps à l'état gazeux. Un circuit de ce type comprend essentiellement un compresseur, un refroidisseur de gaz (encore appelé "gas cooler", terme anglo-saxon), un échangeur de chaleur interne, un détendeur, un évaporateur et un accumulateur. Dans un tel circuit, le refroidisseur de gaz remplace le condenseur des circuits de climatisation classiques. Dans un tel refroidisseur de gaz, la pression du fluide réfrigérant peut atteindre des valeurs de l'ordre de 450 bar, qui sont supérieures aux pressions de l'ordre de 100 bar obtenues dans les circuits de climatisation classiques. Dans les circuits de climatisation de ce type, envisagés jusqu'à présent, le refroidisseur de gaz est agencé pour refroidir le fluide réfrigérant gazeux par échange thermique avec l'air ambiant. Il s'agit donc d'un échangeur de chaleur du type gaz/air. Dans les circuits de climatisation de ce type, tels qu'envisagés jusqu'à présent, le fluide réfrigérant subit de grandes variations de pression (130 bar à 40 bar), liées au diagramme de phase de ce fluide. Par ailleurs, le refroidisseur de gaz se trouve placé en face avant du véhicule, pour pouvoir être traversé facilement par l'air ambiant, et il subit en outre de très fortes pressions. Comme le refroidisseur de gaz est placé en face avant, il se trouve exposé à des chocs éventuels, qui peuvent s'avérer potentiellement dangereux, compte-tenu du gaz à haute pression présent dans le refroidisseur de gaz. En outre, le fait de placer ce refroidisseur de gaz en face 30 avant oblige à concevoir des canalisations de longueur importante. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle propose à cet effet un refroidisseur de gaz du type défini en introduction, lequel comprend au moins deux échangeurs de chaleur, à savoir un premier échangeur fonctionnant à haute température et un deuxième échangeur fonctionnant à basse température, tous deux parcourus par le liquide de refroidissement du moteur du véhicule, et formant deux étages de refroidissement, en sorte que le fluide réfrigérant gazeux est successivement refroidi par le premier échangeur et par le deuxième échangeur. Ainsi, la fonction de refroidissement est accomplie non pas par échange thermique avec l'air ambiant, mais avec le liquide de refroidissement du moteur avec au moins deux étages successifs. Le refroidissement s'effectue ainsi essentiellement par le liquide de refroidissement du moteur. De ce fait, le refroidisseur de gaz n'est plus placé en face avant du véhicule, et se trouve donc à l'abri de chocs de face avant. De plus, le seul fluide à être en face avant est le fluide de refroidissement du moteur, ce qui entraîne une simplification de la face avant en supprimant les empilements d'échangeurs de chaleur véhiculant différents fluides. Enfin, la boucle de circulation du fluide réfrigérant se trouve raccourcie, ce qui diminue la longueur des canalisations et diminue également les risques de fuite du fluide réfrigérant. Ceci est d'autant plus important que les fluides réfrigérants du type dioxyde de carbone se trouvent au repos à une pression de l'ordre de 30 bar dans le circuit. D'autres caractéristiques complémentaires ou alternatives de l'invention sont les suivantes: - le premier échangeur fait partie de la boucle de refroidissement du moteur, qui constitue une boucle à haute température, et qui inclut le radiateur de refroidissement du moteur. - Le deuxième échangeur fait partie d'une boucle de refroidissement à basse température qui est indépendante de la boucle de refroidissement du moteur, mais qui est aussi parcourue par le liquide de refroidissement du moteur, et qui comporte sa propre pompe de circulation ainsi qu'un radiateur de refroidissement à basse température. - Le refroidisseur de gaz comprend au moins un troisième échangeur fonctionnant à très basse température, formant un troisième étage de refroidissement, en sorte que le fluide réfrigérant gazeux est successivement refroidi par le premier échangeur, par le deuxième échangeur et par le troisième échangeur. - Le troisième échangeur fait partie d'une boucle de refroidissement à très basse température, qui est indépendante de la boucle de refroidissement du moteur, mais qui est aussi parcourue par le liquide de refroidissement du moteur, et qui comporte un radiateur de refroidissement à très basse température. - La boucle de refroidissement à basse température et la boucle de refroidissement à très basse température constituent deux boucles indépendantes comportant chacune leur propre pompe de circulation, le radiateur de refroidissement à basse température et le radiateur de refroidissement à très basse température étant indépendants. - La boucle de refroidissement à basse température et la boucle de refroidissement à très basse température constituent une seule boucle, comportant une seule pompe de circulation, le radiateur de refroidissement à basse température alimentant le radiateur de refroidissement à très basse température. - Le radiateur de refroidissement à basse température, le radiateur de refroidissement à très basse température et le radiateur de refroidissement à haute température, servant au refroidissement du moteur, constituent un seul composant. - Le radiateur de refroidissement à basse température et le radiateur de refroidissement à très basse température constituent un seul composant, tandis que le radiateur à haute température servant au refroidissement du moteur est séparé de ce composant. - Le débit du liquide de refroidissement entrant dans le troisième échangeur est inférieur au débit du liquide de refroidissement entrant dans le deuxième échangeur. - Le troisième échangeur est traversé par de l'air ambiant. - Le premier échangeur, le deuxième échangeur et le troisième échangeur forment un seul composant. - Le fluide réfrigérant est du dioxyde de carbone. - Le liquide de refroidissement du moteur est de l'eau additionnée d'un antigel. Dans la description qui suit, donnée seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma représentant un circuit de climatisation de véhicule automobile, parcouru par un fluide réfrigérant fonctionnant à l'état supercritique, et comportant un refroidisseur de gaz à plusieurs étages selon l'invention; la figure 2 représente schématiquement les trois étages d'un refroidisseur de gaz selon une première forme de réalisation de l'invention; - la figure 3 représente schématiquement les trois étages 35 d'un refroidisseur de gaz selon une deuxième forme de réalisation de l'invention; - la figure 4 montre un refroidisseur de gaz à trois étages dans une forme de réalisation de l'invention; - la figure 5 montre un autre refroidisseur de gaz à trois étages selon une autre forme de réalisation de l'invention; la figure 6 est un schéma analogue à la figure 2 faisant 5 apparaître des valeurs de température, données seulement à titre d'exemples; et - la figure 7 est un graphique représentant un diagramme d'état de la fonction de refroidissement. On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre un circuit de climatisation de véhicule automobile, parcouru par un fluide réfrigérant fonctionnnant à l'état supercritique, comme par exemple du dioxyde de carbone (CO2). Dans un tel circuit, le fluide réfrigérant reste la plupart du temps à l'état gazeux lorsqu'il est refroidi par le refroidisseur de gaz, contrairement aux circuits de climatisation classiques où le fluide réfrigérant se condense. Le circuit comprend pour l'essentiel un compresseur 10 qui, dans l'exemple, est un compresseur à contrôle externe piloté par une électronique de commande 12. Le fluide réfrigérant envoyé par le compresseur 10 traverse ensuite un refroidisseur de gaz 14 qui, dans l'exemple, est constitué de trois échangeurs El, E2 et E3 formant ici trois étages de refroidissement successifs, le fluide réfrigérant gazeux traversant successivement le premier échangeur El, puis le deuxième échangeur E2 et enfin le troisième échangeur E3. Ces échangeurs et leur fonctionnement seront décrits en détail plus loin. A la sortie du refroidisseur de gaz 14, le fluide traverse un échangeur interne 16, puis est détendu dans un détendeur 18 qui, dans l'exemple, est une vanne de détente pilotée également par l'électronique de commande 12. Le fluide ainsi détendu est ensuite acheminé vers un évaporateur 20 puis vers un accumulateur 22 avant de rejoindre l'échangeur interne 16. Dans cet échangeur de chaleur, le fluide réfrigérant à basse pression provenant de l'accumulateur échange de la chaleur avec le fluide à haute pression provenant du refroidisseur de gaz. A la sortie de l'échangeur interne 16, le fluide gagne à nouveau le compresseur 10, et ainsi de suite. On se réfère maintenant à la figure 2 pour décrire un premier exemple de réalisation d'un refroidisseur de gaz à trois échangeurs El, E2 et E3. Ces trois échangeurs fonctionnent respectivement à haute température (HT), à basse température (BT) et à très basse température (TBT). Dans cet exemple de réalisation, les trois échangeurs sont tous parcourus par le liquide de refroidissement LR du moteur M du véhicule. Le premier échangeur El fait partie d'une boucle 24 de refroidissement du moteur M, dite boucle à haute température (HT). Le deuxième échangeur E2 fait partie d'une boucle de refroidissement 26 qui est indépendante de la boucle de refroidissement du moteur, dite boucle à basse température (BT). Le troisième échangeur E3 fait partie d'une boucle de refroidissement 28 qui est elle aussi indépendante de la boucle de refroidissement du moteur, dite boucle à très basse température (TBT). On se réfère maintenant à la figure 3 qui constitue un autre exemple de réalisation. Par rapport à la réalisation de la figure 2, la différence réside dans le fait que l'échangeur E3 est traversé ici par de l'air ambiant A prélevé à l'extérieur du véhicule. Ainsi, le fluide réfrigérant gazeux est d'abord refroidi en deux étages par échange de chaleur avec le liquide de refroidissement du moteur, et ensuite refroidi dans un troisième étage par échange de chaleur avec l'air ambiant. Il est à noter que, dans une forme de réalisation plus simple (non représentée), le troisième échangeur de chaleur E3 n'est pas présent. Dans cette version simplifiée, le fluide réfrigérant est alors refroidi par deux échangeurs parcourus tous deux par le liquide de refroidissement du moteur. Sur les figures 2 et 3, le fluide réfrigérant FR circule dans une canalisation 30 qui traverse successivement les échangeurs El, E2 et E3 dans le sens indiqué par les flèches. Les expressions "haute température", "basse température", et "très basse température" signifient que ces températures ont des valeurs (ou plutôt des plages) qui sont successivement décroissantes. Pour fixer les idées, la haute température est habituellement comprise entre 80 et 100 C (typiquement 90 C), la basse température est comprise entre 50 et 70 C (typiquement 60 C), tandis que la très basse température peut être comprise entre 30 et 60 C (typiquement environ 50 C) dans le cas d'un refroidissement par le liquide de refroidissement et à une température dépendant de l'air ambiant, lorsque cet air ambiant est utilisé pour le refroidissement. On se réfère maintenant à la figure 4 qui illustre de façon détaillée un circuit de refroidissement du type de celui de la figure 2. On retrouve ici la canalisation 30 parcourue par le fluide réfrigérant et qui traverse successivement les échangeurs El, E2 et E3. Le premier échangeur El fait partie de la boucle 24 qui refroidit le moteur M. Le liquide de refroidissement du moteur, typiquement de l'eau additionnée d'un antigel, est mis en mouvement par une pompe de circulation 32 et traverse aussi un radiateur 34 servant au refroidissement du moteur M. Le deuxième échangeur E2 fait partie de la boucle de refroi- dissement 26 à basse température, qui est indépendante de la boucle 24 de refroidissement du moteur, mais qui est aussi parcourue par le liquide de refroidissement du moteur. La boucle 26 comporte sa propre pompe de circulation 36, ainsi qu'un radiateur de refroidissement 38 à basse température. Le troisième échangeur E3 fait partie de la boucle de refroidissement 28 à très basse température, cette boucle étant indépendante de la boucle de refroidissement du moteur et également indépendante de la boucle 26. La boucle 28 comporte également sa propre pompe de circulation 40 et elle comporte un radiateur de refroidissement 42 fonctionnant à très basse température. Ainsi, dans la forme de réalisation de la figure 4, les trois radiateurs 34, 38 et 42 sont indépendants. On se réfère maintenant à la figure 5 qui montre un circuit de refroidissement analogue à celui de la figure 4. La principale différence réside ici dans le fait que la boucle de refroidissement à basse température et la boucle de refroidissement à très basse température constituent une seule et même boucle 44 comportant une seule pompe de circulation 46, le radiateur de refroidissement 38 à basse température alimentant le radiateur de refroidissement 42 à très basse température. Comme on peut le voir sur la figure 5, le liquide de refroidissement mis en mouvement par la pompe 46 pénètre dans un compartiment d'entrée 48 du radiateur 38, circule dans une première partie du faisceau 50 du radiateur pour gagner une boîte collectrice 52, puis circule dans une direction opposée dans le faisceau 50 pour gagner un compartiment de sortie 54. Le liquide de refroidissement issu du radiateur 38 quitte le compartiment 54 et est réparti ensuite entre l'échangeur E2 et un compartiment d'entrée 56 du radiateur 42 à très basse température. Le liquide de refroidissement traverse une partie du faisceau 58 du radiateur 42 pour gagner une boîte collectrice 60, circule ensuite en sens opposé dans une autre partie du faisceau 58 pour gagner un compartiment de sortie 62 et rejoindre ensuite l'échangeur E3. Sur les figures 4 et 5, on a désigné par Q1, Q2 et Q3 les débits respectifs du liquide de refroidissement à l'entrées des trois échangeurs El, E2 et E3. Il est avantageux que le débit Q3 du liquide de refroidissement entrant dans le troisième échangeur E3 soit inférieur au débit Q2 du liquide de refroidissement entrant dans le deuxième échangeur E2. En outre le débit Q2 peut être inférieur au débit Q1 du liquide de refroidissement entrant dans le premier échangeur E1. Dans les modes de réalisation des figures 4 et 5, le radiateur de refroidissement 38 à basse température, le radiateur de refroidissement 42 à très basse température et le radiateur de refroidissement 34 à haute température servant au refroidissement du moteur peuvent constituer un seul et même composant. Dans une autre variante, le radiateur de refroidissement 38 à basse température et le radiateur de refroidissement 42 à très basse température peuvent constituer un seul composant, le radiateur de refroidissement 34 à haute température, qui sert au refroidissement du moteur, étant alors séparé de ce composant. Par ailleurs, il est avantageux de réaliser les trois échangeurs El, E2 et E3 sous la forme d'un seul composant. On se réfère maintenant à la figure 6 qui s'apparente au schéma de la figure 2. On a indiqué en plus sur ce schéma, à titre indicatif, des valeurs de température à la fois pour le fluide réfrigérant et pour le liquide de refroidissement. Le fluide réfrigérant FR (ici du dioxyde de carbone) se trouve à une température de 140 C à l'entrée de l'échangeur E1 et à une température de 49 C à la sortie de l'échangeur E3. Le liquide de refroidissement du moteur se trouve respectivement à des températures de 90 C, 60 C et 47 C à l'entrée des échangeurs El, E2 et E3. Bien entendu, ces valeurs de température sont indiquées seulement à titre d'exemple. Dans le cas particulier du refroidissement du dioxyde de carbone par un refroidisseur à trois étages d'échange de chaleur, les fonctions respectives de ces trois étages peuvent être précisées comme suit. Dans le premier étage, le dioxyde de carbone qui arrive à une température de l'ordre de 150 C est refroidi par le liquide de refroidissement qui se trouve à une température de l'ordre de 50 C. Le deuxième étage sert à évacuer de la puissance thermique, tandis que le troisième étage abaisse la température du dioxyde de carbone. On se réfère maintenant à la figure 7 qui montre un diagramme d'état avec l'enthalpie en abscisse et la pression en ordonné. Sur ce graphique est représenté le diagramme d'état du fluide réfrigérant pour les différentes phases de fonctionnement: Compression C, refroidissement R, détente D et évaporation E. On a représenté schématiquement pour le refroidissement les trois étages successifs correspondant respectivement aux trois échangeurs El, E2 et E3. On s'aperçoit que ce diagramme d'état a la forme générale d'un trapèze pour lequel les phases de refroidissement et d'évaporation sont à pression constante. On s'aperçoit que ce diagramme d'état coupe la courbe de saturation, (désignée par la référence CS) du fluide réfrigérant. L'invention trouve une application générale aux circuits de climatisation pour véhicules automobiles. Le fluide réfrigérant gazeux est avantageusement un fluide du type dioxyde de carbone, tandis que le liquide de refroidissement est avantageusement de l'eau additionnée d'un antigel, par exemple d'un glycol. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment à titre d'exemples. En particulier, comme déjà indiqué, le troisième échangeur E3 peut être omis. Revendications 1. Refroidisseur de gaz pour un circuit de climatisation de véhicule automobile, parcouru par un fluide réfrigérant fonctionnant à l'état supercritique, le véhicule comportant un moteur refroidi par un liquide de refroidissement circulant dans une boucle de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux échangeurs de chaleur, à savoir un premier échangeur (El) fonctionnant à haute température et un deuxième échangeur (E2) fonctionnant à basse température, tous deux parcourus par le liquide de refroidissement du moteur du véhicule, et formant deux étages de refroidissement, en sorte que le fluide réfrigérant gazeux est successivement refroidi par le premier échangeur (El) et par le deuxième échangeur (E2). 2. Refroidisseur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier échangeur (El) fait partie de la boucle de refroidissement (24) du moteur (M), qui constitue une boucle à haute température (HT) et qui inclut le radiateur de refroidissement (34) du moteur. 3. Refroidisseur de gaz selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le deuxième échangeur (E2) fait partie d'une boucle de refroidissement (26) à basse température, qui est indépendante de la boucle de refroidissement (24) du moteur, mais qui est aussi parcourue par le liquide de refroidissement du moteur, et qui comporte sa propre pompe de circulation (36), ainsi qu'un radiateur de refroidissement (38) à basse température. 4. Refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un troisième échangeur (E3) fonctionnant à très basse température, formant un troisième étage de refroidissement, en sorte que le fluide réfrigérant gazeux est successivement refroidi par le premier échangeur (El), par le deuxième échangeur (E2) et par le troisième échangeur (E3). 5. Refroidisseur de gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que le troisième échangeur (E3) fait partie d'une boucle de refroidissement (28) à très basse température, qui est indépendante de la boucle de refroidissement (24) du moteur, mais qui est aussi parcourue par le liquide de refroidissement du moteur, et qui comporte un radiateur de refroidissement (42) à très basse température. 6. Refroidisseur de gaz selon les revendications 3 et 5, prises en combinaison, caractérisé en ce que la boucle de refroidissement {26) à basse température et la boucle de refroidissement (28) à très basse température constituent deux boucles indépendantes comportant chacune leurs propres pompes de circulation (36, 40), le radiateur de refroidissement (38) à basse température et le radiateur de refroidissement (42) à très basse température étant indépendants. 7. Refroidisseur de gaz selon les revendications 3 et 5 prises en combinaison, caractérisé en ce que la boucle de refroidissement à basse température et la boucle de refroidissement à très basse température constituent une seule boucle (44), comportant une seule pompe de circulation (46), le radiateur de refroidissement (38) à basse température alimentant le radiateur de refroidissement (42) à très basse température. 8. Refroidisseur de gaz selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le radiateur de refroidissement (38) à basse température, le radiateur de refroidissement (42) à très basse température et le radiateur de refroidissement (34) à haute température, servant au refroidissement du moteur, constituent un seul composant. 9. Refroidisseur de gaz selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le radiateur de refroidissement (38) à basse température et le radiateur de refroidissement (42) à très basse température constituent un seul composant, tandis que le radiateur de refroidissement (34) à haute température, servant au refroidissement du moteur, est séparé de ce composant. 10. Refroidisseur de gaz selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le débit (Q3) du liquide de refroidissement entrant dans le troisième échangeur (E3), est inférieur au débit (Q2) du liquide de refroidissement entrant dans le deuxième échangeur (E2). 11. Refroidisseur de gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que le troisième échangeur (E3) est traversé par de l'air ambiant. 12. Refroidisseur de gaz selon l'une des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que le premier échangeur (El), le deuxième échangeur (E2) et le troisième échangeur (E3) forment un seul composant. 13. Refroidisseur de gaz selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant est du dioxyde de carbone. 14. Refroidisseur de gaz selon l'une des revendications 1 à 25 13, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement du moteur est de l'eau additionnée d'un antigel.