Brevet FR2905897A1 — publié le 20080321

Système de gestion thermique de la climatisation et du refroidissement moteur d'un véhicule automobile, comprenant notamment un refroidisseur de gaz L'invention concerne les circuits de climatisation pour véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement les circuits de clima-5 tisation utilisant comme source froide le liquide de refroidissement du moteur. Il s'agit notamment des circuits de climatisation mettant en oeuvre un fluide réfrigérant tel que le dioxyde de car- 10 bone CO2 fonctionnant à l'état supercritique, c'est-à-dire où le fluide reste la plupart du temps à l'état gazeux dans le circuit de climatisation. Un tel circuit comprend essentiellement un compresseur, un 15 refroidisseur de gaz, un échangeur de chaleur interne, un détendeur, un évaporateur et un accumulateur. Le refroidisseur de gaz, qui remplace le condenseur des circuits de climatisation classiques, est agencé pour refroidir le fluide réfrigérant gazeux par échange thermique soit avec 20 l'air ambiant (échangeur de chaleur du type air/gaz) soit avec le liquide de refroidissement du moteur (échangeur de chaleurs du type eau/gaz, connu également sous la dénomination de Water/Gas Cooler ou WGC). 25 C'est aux circuits comprenant ce dernier type d'échangeur que se rapporte l'invention. Un tel circuit de climatisation où un réfrigérant gazeux tel que le CO2 est refroidi dans un échangeur de chaleur du 2905897 2 type eau/gaz est décrit par exemple dans le FR-A-2 875 743 (Valeo Systèmes Thermiques). On notera toutefois que la présente invention n'est pas li-mitée aux circuits de climatisation utilisant un fluide réfrigérant fonctionnant à l'état supercritique tel que le CO2, mais que ses enseignements peuvent être également appliqués à d'autres types de réfrigérants, par exemple des composés fluorés couramment utilisés tels que le HFC 134a, qui sont présents dans le circuit sous deux phases différentes, à savoir une phase gazeuse et une phase liquide. Le point de départ de l'invention réside dans la constatation de ce que l'utilisation d'un échangeur eau/gaz dans de tels circuits ne permet pas d'utiliser tout le potentiel de l'échangeur dans un certain nombre de cas de fonctionnements, en particulier lorsque le moteur est chaud, ce qui pénalise le rendement de la boucle de climatisation. Le but de l'invention est de résoudre ce problème, en pro-posant une nouvelle configuration du circuit de climatisation qui permette d'optimiser le rendement de l'échange thermique entre le fluide réfrigérant et le liquide de refroidissement du moteur lorsque celui-ci est chaud, sans pour autant pénaliser la montée en température du moteur lorsque celui-ci est froid. Le système de gestion thermique de l'invention est du type divulgué notamment par le FR-A-2 875 743 précité, c'est-àdire comportant une boucle de refroidissement moteur avec : un moteur comportant une entrée moteur et une sortie moteur pour un liquide de refroidissement moteur ; un radiateur de refroidissement moteur ; et un échangeur de chaleur haute 2905897 3 température permettant un échange thermique entre un fluide réfrigérant du circuit de climatisation et le liquide de refroidissement moteur. 5 De façon caractéristique de l'invention, ce système de gestion thermique comporte en outre des moyens de régulation de l'alimentation en liquide de refroidissement moteur de l'échangeur de chaleur en fonction de la température, agencés pour détecter le point le plus froid de ladite boucle, 10 et prélever le liquide de refroidissement depuis ledit point le plus froid. Ainsi, l'échangeur est toujours alimenté avec le liquide le plus froid de la boucle de refroidissement du moteur. Ledit point le plus froid peut en particulier être la sortie moteur, dans la condition de moteur froid, et la sortie du radiateur, dans la condition de moteur chaud. 20 Cette régulation permet d'utiliser au mieux le potentiel de l'échangeur de chaleur eau/gaz, en le couplant : ù à la sortie du moteur lorsque ce dernier est froid (ce qui a en outre pour conséquence avantageuse) d'aider à la montée en température du moteur et de ménager une 25 possibilité de chauffage additionnel), ù puis à la sortie du radiateur une fois le moteur chaud, de manière à faire travailleur l'échangeur avec un fluide de refroidissement à plus basse température. 30 Les moyens de régulation peuvent notamment être des moyens opérant en réponse à la température du liquide de refroidissement en sortie du moteur. 15 2905897 4 Le système de gestion thermique de l'invention est particulièrement adapté aux circuits de climatisation où le fluide réfrigérant est un fluide opérant à l'état supercritique 5 tel que le CO2, l'échangeur thermique étant alors un refroidisseur de gaz pour ce fluide réfrigérant. Mais cette application n'est pas limitative, et les enseignements de l'invention sont également applicables à des 10 circuits de climatisation mettant en oeuvre un fluide réfrigérant comprenant un composé fluoré, par exemple un composé de type HFC 134a. Très avantageusement, la boucle de refroidissement moteur 15 comporte en outre un thermostat apte à contrôler sélective-ment la circulation du liquide de refroidissement dans le radiateur en fonction de la température de ce liquide, la circulation étant autorisée dans une condition de moteur chaud et interdite dans une condition de moteur froid. 20 Dans une première forme de réalisation, correspondant à une configuration où le thermostat est disposé entre la sortie du radiateur et l'entrée moteur : la sortie de l'échangeur de chaleur est reliée à l'entrée moteur en aval du thermos- 25 tat ; et les moyens de régulation comprennent un organe de sélection d'alimentation commandé en température, apte à relier l'entrée de l'échangeur de chaleur soit à la sortie moteur en amont du radiateur, dans la condition de moteur froid, soit au radiateur en aval de celui-ci, dans la 30 condition de moteur chaud. Dans une variante simplifiée de cette première forme de réalisation : la sortie de l'échangeur de chaleur est reliée 2905897 5 à l'entrée moteur en aval du thermostat ; l'entrée de l'échangeur de chaleur est reliée au radiateur en aval de celui-ci ; et les moyens de régulation comprennent un organe de contrôle de débit commandé en température, monté en 5 série avec l'échangeur de chaleur. Dans une seconde forme de réalisation, correspondant à une configuration où le thermostat est disposé entre la sortie moteur et l'entrée du radiateur : la sortie de l'échangeur 10 de chaleur est reliée à l'entrée moteur ; l'entrée de l'échangeur de chaleur est reliée à la fois au radiateur en aval de celui-ci et à une conduite reliée à la sortie moteur en amont du thermostat ; et les moyens de régulation comprennent un organe de contrôle de débit commandé en température, monté en série dans ladite conduite reliée à la sortie moteur. Dans une variante simplifiée de cette seconde forme de réalisation : la sortie de l'échangeur de chaleur est reliée 20 à l'entrée moteur ; l'entrée de l'échangeur de chaleur est reliée au radiateur en aval de celui-ci ; et les moyens de régulation comprennent un organe de contrôle de débit commandé en température, monté en dérivation sur le thermostat. 25 On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre du Le système de gestion thermique de l'invention, en référence aux dessins annexés où les mêmes références numériques dé-signent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou 30 fonctionnellement semblables. La figure 1 est un schéma représentant un circuit de climatisation de véhicule automobile parcouru par un fluide ré- 2905897 6 frigérant fonctionnant à l'état supercritique, où le circuit est configuré selon la technique antérieure. La figure 2 illustre plus en détail l'implantation du re- 5 froidisseur de gaz du schéma de la figure 1 dans la boucle de refroidissement moteur, toujours selon la technique antérieure. La figure 3 illustre une première forme de réalisation du 10 circuit de refroidissement moteur et de climatisation à échangeur eau/gaz selon la présente invention. La figure 4 illustre une variante simplifiée du circuit représenté à la figure 3. La figure 5 illustre une seconde forme de réalisation du circuit de refroidissement moteur et de climatisation à échangeur eau/gaz selon la présente invention. 20 La figure 6 illustre une variante simplifiée du circuit représenté à la figure 5. Les figures 1 et 2 illustrent un circuit de climatisation de véhicule automobile selon la technique antérieure, du 25 type utilisant un fluide réfrigérant fonctionnant à l'état supercritique tel que le CO2, où la température du fluide réfrigérant est abaissée par échange thermique avec le liquide de refroidissement du moteur. 30 Le circuit comprend pour l'essentiel un compresseur 10, par exemple un compresseur à contrôle externe piloté par une électronique de commande 12. Le fluide réfrigérant comprimé traverse ensuite un refroidisseur de gaz comprenant un ou 15 2905897 7 plusieurs échangeurs successifs, dans l'exemple représenté trois échangeurs El, E2 et E3 montés en série. A la sortie du refroidisseur 14, le fluide traverse un échangeur in-terne 16, puis est détendu dans un détendeur 18, par exem- 5 ple une vanne de détente pilotée également par l'électronique de commande 12. Le fluide ainsi détendu est conduit vers un échangeur 20 assurant la même fonction que l'évaporateur d'un circuit de climatisation classique à changement de phase du fluide réfrigérant, puis vers un accumulateur 10 22 et l'échangeur interne 16, avant d'être recyclé vers le compresseur 10. Le refroidisseur de gaz 14 comprendre par exemple, comme illustré figure 10, une série de trois échangeurs El, E2, 15 E3 fonctionnant respectivement à haute température, basse température et très basse température. La haute température est habituellement de l'ordre de 80 à 100 C (typiquement 90 C), et la basse température de l'or- 20 dre de l'ordre 50 à 70 C (typiquement 60 C). La très basse température, quant à elle, est de l'ordre de 30 à 60 C (typiquement 50 C) dans le cas d'un échangeur eau/gaz utilisant le liquide de refroidissement moteur, ou une température dépendant de l'air ambiant, dans le cas d'un échangeur 25 air/gaz. Le premier échangeur El est un échangeur eau/gaz utilisant comme source froide le liquide de refroidissement moteur, généralement de l'eau additionnée d'un antigel (eau glyco- 30 lée) ou liquide analogue. Les échangeurs basse température et très basse température E2 et E3 peuvent utiliser comme source froide également le liquide de refroidissement du moteur, via une boucle distincte de la boucle alimentant 2905897 8 l'échangeur El, ou par contact avec de l'air ambiant prélevé à l'extérieur du véhicule. Dans des formes de réalisation simplifiées, le troisième étage E3 du refroidisseur peut être omis. 5 Dans la suite de la description, on s'intéressera à l'implantation de l'échangeur haute température El, mais on comprendra que les enseignements de l'invention sont applicables également, en tant que de besoin, à un autre échanBeur thermique utilisant comme source froide le liquide de refroidissement moteur, dès lors que l'on recherche une configuration permettant d'optimiser l'échange thermique avec le liquide de refroidissement moteur. 15 Le moteur M est refroidi par un liquide circulant en boucle, à l'extérieur du moteur, entre une sortie S et une entrée E. Ce liquide est refroidi par un radiateur de refroidissement moteur 24, sous le contrôle d'un thermostat 26 constitué d'une soupape contrôlée en température interdi- 20 sant ou réduisant le passage du liquide de refroidissement dans le radiateur 24 tant que le moteur n'a pas atteint sa pleine température de fonctionnement, de manière à ne pas pénaliser la montée en température de celui-ci au démarrage. Le liquide de refroidissement moteur alimente égale- 25 ment un refroidisseur d'huile moteur 28 et un aérotherme 30 permettant de réchauffer éventuellement l'air pulsé dans l'habitacle par un échange calorifique avec le liquide chaud en provenance du moteur. 30 Le liquide de refroidissement est entraîné en mouvement à l'extérieur du moteur dans les différentes boucles par une pompe de circulation 32. 2905897 9 Dans l'implantation connue, illustrée figure 2, outre la boucle 34 de refroidissement du moteur incluant le radiateur 24, le circuit comporte une boucle 36 incluant l'échangeur thermique El, qui se trouve alimenté en perma- 5 nence par le liquide de refroidissement issu directement de la sortie moteur S, ce liquide étant à la température du moteur. Plus précisément, le circuit froid 38 de l'échangeur El est relié par son entrée 40 à la sortie S du moteur, tandis que sa sortie 42 est reliée à un point situé 10 en aval du radiateur 24, de manière à recycler vers l'entrée moteur E le liquide de refroidissement mis en circulation par la pompe 32. Le circuit chaud 44 de l'échangeur, quant à lui, est alimenté par le gaz à refroidir, qui est ensuite dirigé vers les étages basse température et très 15 basse température E2 et E3. La configuration que l'on vient de décrire ne permet pas d'utiliser tout le potentiel de l'échangeur El dans un certain nombre de cas de fonctionnement, en particulier lors- 20 que le moteur est chaud, ce qui pénalise le rendement de la boucle de climatisation. La figure 3 illustre une première forme de réalisation de l'invention permettant de résoudre ce problème en amélio- 25 rant le rendement de l'échange thermique lorsque le moteur est chaud, sans pour autant pénaliser la montée en température de ce dernier lorsqu'il est froid. La configuration illustrée sur cette figure 3 correspond à 30 un cas de figure où le thermostat 26 est disposé du côté de l'entrée moteur E, en aval du radiateur 24. 2905897 10 Dans ce schéma, l'entrée 40 du circuit froid 38 de l'échangeur E1 est reliée à un organe de régulation 46, tel qu'une vanne pilotée en température, permettant de coupler sélectivement l'entrée 40 de l'échangeur El soit à une première 5 entrée 48 lorsque le moteur est froid, soit à une seconde entrée 50 lorsque le moteur est chaud. La sortie 42 du circuit froid 38 est, quant à elle, reliée à l'entrée moteur E en un point situé en aval du thermostat 26, de manière à permettre le retour du liquide vers le moteur même lorsque 10 le thermostat est fermé. L'entrée 48 de l'organe de régulation 46 est reliée à la sortie moteur S en un point situé en amont du radiateur 24, tandis que l'entrée 50 est reliée à un point situé en aval 15 de ce même radiateur 24. La sélection de l'une ou l'autre des entrées 48 ou 50 peut être progressive (dans le cas où l'organe 46 est par exemple un thermostat ou une vanne proportionnelle), ou bien 20 brusque (dans le cas où l'organe 46 est une vanne du type "tout ou rien"). La commande de la vanne en fonction de la température peut être une commande intégrée à la vanne, qui modifie la position de celle-ci en fonction de la température du liquide qui circule à l'intérieur. Cette commande 25 peut être également une commande externe à partir d'un signal délivré par un ou plusieurs capteurs ou sondes externes, placés en un point approprié du circuit de liquide de refroidissement ; la commande peut alors également prendre en compte la température extérieure, notamment pour prendre 30 des actions différenciées selon qu'il s'agit d'une situation de démarrage du moteur par temps froid ou par temps chaud. 2905897 11 Lorsque le liquide de refroidissement est froid, l'organe de régulation 46 sélectionne l'entrée 48, ce qui a pour effet d'alimenter l'échangeur El par le liquide (froid) pro-venant directement de la sortie moteur M. Le liquide ré- 5 chauffé par l'échangeur El est retournée au moteur, ce qui contribue incidemment à accélérer la montée en température de celui-ci. Une fois le moteur chaud, l'organe de régulation 46 sélec- 10 tionne l'entrée 50, ce qui a pour effet d'alimenter l'échangeur El par le liquide après que celui-ci ait été refroidi par le radiateur 24, donc à une température moindre qu'en sortie du moteur, améliorant ainsi le transfert de chaleur dans l'échangeur El. 15 Ainsi, en toutes circonstances l'échangeur El est alimenté par le liquide le plus froid de la boucle de refroidisse-ment moteur, ce qui procure une efficacité maximale de l'échangeur El, et donc contribue d'autant à améliorer le 20 rendement global du système de climatisation. La figure 4 illustre une variante simplifiée du circuit de la figure 3, où l'organe de régulation 52 est une vanne ou élément analogue piloté en température, placé en série avec 25 l'échangeur El dans la boucle 36 de circulation du liquide. L'entrée 40 de l'échangeur El est reliée à un point situé en aval du radiateur 24 et en amont du thermostat 26, tan-dis que sa sortie 42 est reliée à l'entrée moteur E en un point situé en aval du thermostat 26. 30 Avec cette configuration, l'organe de régulation 52 permet de forcer le passage du liquide de refroidissement avec un certain débit dans l'échangeur El même lorsque le thermos- 2905897 12 tat 26 est fermé ou partiellement ouvert, permettant ainsi d'améliorer le rendement de l'échange thermique dans certaines conditions particulières, par exemple lors des démarrages en été (cette configuration étant moins favorable 5 que celle de la figure 3 à une montée rapide en température du moteur, ou à la possibilité de chauffage additionnel). La figure 5 illustre une seconde forme de mise en oeuvre de l'invention, correspondant à une configuration où le ther- 10 mostat 26 est disposé du côté de la sortie du moteur, c'est-à-dire en amont du radiateur 24. Dans ce schéma, l'échangeur El est disposé en série avec le radiateur 24 en aval de celui-ci. Plus précisément, l'en- 15 trée 40 de l'échangeur El est reliée d'une part à la sortie du radiateur 24, directement, et d'autre part à la sortie moteur S par l'intermédiaire d'une conduite 54 incluant un organe de régulation 56 et reliée à la sortie moteur S en amont du thermostat 26. La sortie 42 de l'échangeur El est 20 reliée à l'entrée moteur E. L'organe de régulation 56 est un thermostat ou une vanne pilotée permettant de réguler le débit dans la conduite 54 en fonction de la température, ce débit étant maximal lors- 25 que la température du liquide de refroidissement est basse, et minimal ou nul lorsque cette température est élevée. Lorsque le moteur est froid, l'organe de régulation 56 assure un débit maximal dans la conduite 54, de sorte que le 30 liquide issu de la sortie moteur alimente l'échangeur El, ce qui augmente le rendement de ce dernier et contribue en outre à une montée en température rapide du moteur. Pour autant, le liquide de refroidissement ne circule pas dans 2905897 13 le radiateur 24, du fait de la fermeture du thermostat 26 (ce qui évite de pénaliser la montée en température du moteur). 5 Lorsque le moteur est chaud, le débit dans la conduite 54 se réduit progressivement (cas d'un thermostat ou d'une vanne proportionnelle) ou s'interrompt brusquement (cas d'une vanne "tout ou rien"). L'échangeur El va alors être alimenté par le liquide de refroidissement sortant du ra- 10 diateur, donc à une température moindre que celle du liquide de refroidissement chaud sortant du moteur, améliorant d'autant le rendement du circuit de climatisation. La figure 6 illustre une variante simplifiée du circuit de 15 la figure 5. Dans cette variante simplifiée, la conduite 54 venant alimenter l'échangeur El est omise et remplacée par une dérivation 60 sur le thermostat 26, cette dérivation comprenant l'organe de régulation 58. Ce dernier permet dans certaines conditions, par exemple lors des démarrages 20 à froid en été, de forcer avec un débit réduit le passage du liquide dans le radiateur 24, et par voie de conséquence dans l'échangeur El. Dans cette variante, on notera que le thermostat 26 et 25 l'organe de régulation 58, qui est par exemple une vanne pilotée en température, peuvent être intégrés dans un seul et même bloc fonctionnel 62 permettant de contrôler le dé-bit dans la branche 34 incluant le radiateur de refroidissement 24 de manière à tenir compte de la présence de 30 l'échangeur El en aval du radiateur 24. Revendications 1. Système de gestion thermique, notamment pour un circuit de climatisation de véhicule automobile, comportant une boucle de refroidissement moteur, la boucle comprenant : un moteur (M), ledit moteur comportant une entrée moteur (E) et une sortie moteur (S) pour un liquide de refroi- dissement moteur, û un radiateur {24) de refroidissement moteur, et - un échangeur de chaleur haute température (El) permet- tant un échange thermique entre un fluide réfrigérant du circuit de climatisation et le liquide de refroidisse- ment moteur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : û des moyens (46 ; 52 ; 56 ; 58) de régulation de l'ali- mentation en liquide de refroidissement moteur de l'échangeur de chaleur (El) en fonction de la tempéra- ture, agencés pour : • détecter le point le plus froid de ladite boucle, et prélever le liquide de refroidissement depuis ledit point le plus froid. 2. Système de gestion thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit point le plus froid est : ù la sortie moteur, dans la condition de moteur froid, et û la sortie du radiateur, dans la condition de moteur chaud. 3. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de régulation (46 ; 52 ; 56 ; 58) sont des moyens opérant en réponse 14 2905897 15 à la température du liquide de refroidissement en sortie du moteur. 4. Système de gestion thermique selon l'une des revendica- 5 tions 1 à 3, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant est un fluide opérant à l'état supercritique, de préférence le CO2, et l'échangeur thermique est un refroidisseur de gaz pour ce fluide réfrigérant. 10 5. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant comprend un composé fluoré, de préférence un composé de type HFC 134a. 15 6. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la boucle de refroidissement moteur comporte en outre un thermostat (26), apte à contrôler sélectivement la circulation du liquide de refroidissement dans le radiateur en fonction de la température de ce liquide, la circulation étant autorisée dans une condition de moteur chaud et interdite dans une condition de moteur froid. 7. Système de gestion thermique selon la revendication 6, 25 caractérisé en ce que, le thermostat (26) étant disposé entre la sortie du radiateur (24) et l'entrée moteur (E) . ù la sortie (42) de l'échangeur de chaleur (El) est reliée à l'entrée moteur (E) en aval du thermostat, et ù les moyens de régulation comprennent un organe de sélec- tion d'alimentation (46) commandé en température, apte à relier l'entrée (40) de l'échangeur de chaleur : soit à la sortie moteur (S) en amont du radiateur, dans la 2905897 16 condition de moteur froid ; soit au radiateur (24) en aval de celui-ci, dans la condition de moteur chaud. 8. Système de gestion thermique selon la revendication 6, 5 caractérisé en ce que, le thermostat (26) étant disposé en- tre la sortie du radiateur (24) et l'entrée moteur (E) . û la sortie (42) de l'échangeur de chaleur (El) est reliée à l'entrée moteur (E) en aval du thermostat, ù l'entrée (40) de l'échangeur de chaleur est reliée au 10 radiateur (24) en aval de celui-ci, et les moyens de régulation comprennent un organe de contrôle de débit (52) commandé en température, monté en série avec l'échangeur de chaleur (El). 15 9. Système de gestion thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce que, le thermostat (26) étant disposé entre la sortie moteur (S) et l'entrée du radiateur {24) : û la sortie (42) de l'échangeur de chaleur est reliée à l'entrée moteur (E), 20 l'entrée (40) de l'échangeur de chaleur est reliée à la fois au radiateur (24) en aval de celui-ci et à une conduite (54) reliée à la sortie moteur (S) en amont du thermostat, et û les moyens de régulation comprennent un organe de 25 contrôle de débit (56) commandé en température, monté en série dans ladite conduite reliée à la sortie moteur. 10. Système de gestion thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce que, le thermostat (26) étant disposé en-30 tre la sortie moteur (S) et l'entrée du radiateur (24) . û la sortie (42) de l'échangeur de chaleur est reliée à l'entrée moteur (E), 2905897 17 ù l'entrée (40) de l'échangeur de chaleur est reliée au radiateur (24) en aval de celui-ci, et ù les moyens de régulation comprennent un organe de contrôle de débit (58) commandé en température, monté en 5 dérivation sur le thermostat.