Brevet FR2904099A1 — publié le 20080125

L'invention concerne des systèmes de climatisation et, dans des applications plus particulières, des systèmes de climatisation transcritiques qui utilisent un fluide réfrigérant ou frigorigène, tel que du CO2. Dans des systèmes de refroidissement tels que des systèmes de climatisation de type à compression de vapeur, une fuite de frigorigène peut avoir lieu avec le temps, réduisant ainsi les performances du système et augmentant le risque de détérioration du compresseur. Alors qu'une fuite de frigorigène peut avoir lieu dans n'importe quel système de refroidissement et peut provoquer une perte de performances, une telle fuite peut être particulièrement problématique dans des systèmes de refroidissement transcritiques, qui utilisent un compresseur volumétrique variable. Dans de tels systèmes, si la quantité de la charge de frigorigène chute en dessous d'un certain niveau du fait d'une fuite, le système ne sera plus apte à fonctionner normalement et subira une pression d'aspiration inférieure à la limite de fonctionnement normal, une trop grande surchauffe à partir de l'évaporateur et une réduction de volume déplacé dans le compresseur volumétrique variable. Il en résulte que le système aura une très faible capacité de refroidissement. A cet égard, dans des systèmes qui utilisent un accumulateur, il est connu de prévoir un volume supplémentaire dans l'accumulateur pour accepter une plus grande quantité de frigorigène que celle demandée pour que le système fonctionne de façon satisfaisante afin que, lorsque du frigorigène fuit du système, le frigorigène supplémentaire contenu dans l'accumulateur soit mis en circulation dans le système pour suppléer le frigorigène perdu. Bien que de tels systèmes puissent fonctionner de façon satisfaisante pour leur but prévu, ils tendent à augmenter les dimensions et le poids du système, du fait de l'augmentation nécessaire des dimensions de l'accumulateur pour loger le frigorigène supplémentaire. 2904099 2 Selon une particularité de l'invention, il est proposé un système de refroidissement transcritique qui comprend un compresseur fournissant un frigorigène ou fluide réfrigérant sous pression au système ; un 5 refroidisseur à gaz raccordé en aval du compresseur pour en recevoir du frigorigène sous pression et pour fournir au système du frigorigène sous pression, refroidi ; un dispositif de détente raccordé en aval du refroidisseur à gaz pour en recevoir du frigorigène sous pression, refroidi 10 et pour fournir du frigorigène à deux phases et pression réduite au système ; un évaporateur raccordé en aval du dispositif de détente pour en recevoir du frigorigène à deux phases et pression réduite et raccordé en amont du compresseur pour lui fournir du frigorigène à pression 15 réduite, chauffé ; et un système de rechargement automatique du frigorigène raccordé au système de refroidissement en aval de l'évaporateur et en amont du compresseur pour fournir automatiquement du frigorigène supplémentaire afin de le faire circuler dans le système. 20 Le système de rechargement de frigorigène comprend un récipient à frigorigène destiné à emmagasiner une charge de frigorigène à une pression supérieure à la pression du frigorigène sortant de l'évaporateur, et une vanne de commande raccordée entre le récipient et la partie restante 25 du système pour commander la libération de frigorigène depuis le récipient à frigorigène pour sa circulation dans le système de refroidissement. Selon une particularité, le système de refroidissement comprend en outre un accumulateur raccordé 30 en aval de l'évaporateur pour en recevoir du frigorigène chauffé et en amont du compresseur pour lui fournir du frigorigène en phase gazeuse. La vanne de commande est raccordée à l'accumulateur pour lui fournir du frigorigène provenant du récipient à frigorigène. Selon une autre 35 particularité, le système de rechargement de frigorigène est porté par l'accumulateur. 2904099 3 Selon une particularité, le système de refroidissement comprend en outre un conduit à basse pression raccordé entre l'évaporateur et le compresseur pour transférer du frigorigène de l'évaporateur au 5 compresseur, et le récipient à frigorigène est prévu sous la forme d'un tube cylindrique s'étendant le long d'une partie extérieure du conduit à basse pression. Selon une particularité, la vanne de commande comprend une vanne de décharge ayant un débit de décharge 10 préalablement choisi dans le système de refroidissement, basé sur une fuite anticipée du frigorigène depuis le système de refroidissement. Selon une particularité, la vanne de commande comprend une vanne normalement fermée qui, en réponse à un 15 signal provenant du système, s'ouvre temporairement et fournit une quantité distincte de frigorigène au système de refroidissement. Selon une autre particularité, le système de refroidissement comprend en outre plusieurs capteurs pour contrôler des paramètres du système, et une commande 20 connectée aux capteurs et à la vanne de commande pour fournir â la vanne de commande le signal en réponse à des informations provenant du capteur. Selon une particularité, le compresseur est un compresseur volumétrique. 25 Conformément à une particularité de l'invention, il est proposé un procédé pour le rechargement automatique d'un système de refroidissement transcritique qui présente une fuite de frigorigène, dans lequel le système de refroidissement comprend un compresseur, un refroidisseur à 30 gaz, un dispositif de détente, un évaporateur et un volume d'accumulateur tous raccordés en série en une boucle de frigorigène. Le procédé comprend les étapes qui consistent : a) à emmagasiner du frigorigène dans un volume de 35 recharge qui est isolé hydrauliquement du volume de l'accumulateur et à une pression qui est supérieure à la 2904099 4 pression du frigorigène dans le volume de l'accumulateur, le volume de recharge faisant partie du système de refroidissement pendant le fonctionnement normal de celui-ci ; et 5 b) à libérer automatiquement du frigorigène depuis le volume de recharge dans le système en remplacement du frigorigène qui a fui du système de refroidissement. Selon une particularité, l'étape b) comprend la 10 décharge en continu de frigorigène dans le système de refroidissement depuis le volume de recharge pendant le fonctionnement normal du système de refroidissement. Selon une particularité, le procédé comprend en outre l'étape consistant à contrôler automatiquement le 15 système de refroidissement pour déterminer si du frigorigène doit être libéré du volume de recharge dans le système de refroidissement, et l'étape b) comprend en outre la libération de frigorigène dans le système de refroidissement en réponse à l'étape de contrôle 20 automatique. Selon une autre particularité, l'étape de contrôle automatique comprend le contrôle de la pression d'une conduite d'aspiration du système de refroidissement, le contrôle d'une température ambiante et le contrôle d'un volume déplacé du compresseur. 25 Selon une particularité, le procédé comprend en outre l'étape consistant à remplacer périodiquement le volume de recharge après que le frigorigène en a été épuisé. Selon une particularité de l'invention, il est 30 proposé un procédé pour recharger automatiquement un système de refroidissement transcritique qui présente une fuite de frigorigène. Le système de refroidissement comporte un compresseur, un refroidisseur à gaz, un dispositif de détente et un évaporateur tous raccordés en 35 série dans une boucle de frigorigène. Le procédé comprend les étapes qui consistent : 2904099 5 a) à emmagasiner du frigorigène dans un volume de recharge à une pression qui est supérieure à la pression du frigorigène dans un côté d'aspiration de la boucle de frigorigène, le volume de recharge faisant partie du 5 système de refroidissement pendant le fonctionnement normal de celui-ci ; et b) à libérer automatiquement du frigorigène du volume de recharge dans le système pour remplacer le frigorigène qui a fui du système. 10 L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système de climatisation d'automobile comprenant un 15 système de rechargement automatique matérialisant la présente invention ; - la figure 2 est une représentation schématique similaire à celle de la figure 1, mais montrant une autre forme de réalisation du système de rechargement 20 automatique ; et - la figure 3 est un graphique indiquant la pression à l'intérieur d'une bouteille contenant une charge de frigorigène en fonction de la température ambiante, montrant les courbes pour les différents volumes 25 nécessaires pour loger une charge supplémentaire de 120 g de frigorigène constitué de CO2. En référence à la figure 1, un système de refroidissement transcritique 10 est représenté et comprend un circuit ou une boucle 12 d'écoulement de frigorigène ou 30 fluide réfrigérant ; un compresseur volumétrique variable 14 destiné à délivrer du frigorigène sous pression (habituellement, du dioxyde de carbone ("CO2")) au circuit d'écoulement 12 ; un refroidisseur 16 à gaz raccordé au compresseur 14 pour en recevoir le frigorigène sous 35 pression ; un dispositif de détente 18 raccordé au circuit 12 d'écoulement de frigorigène en aval du refroidisseur à 2904099 6 gaz 16 pour en recevoir du frigorigène refroidi, sous pression, et pour fournir du frigorigène en phase liquide, sous pression réduite, au circuit d'écoulement 12, souvent sous la forme d'un écoulement de frigorigène en deux phases 5 qui comprend un frigorigène en phase liquide ; un évaporateur 20 raccordé au dispositif de détente 18 pour en recevoir du frigorigène en phase liquide, sous pression réduite, et renvoyer du frigorigène chauffé au système 10 ; et un système 22 de remplissage ou rechargement automatique 10 raccordé au côté à basse pression du circuit 12 d'écoulement de frigorigène entre l'évaporateur 20 et le compresseur 14 pour délivrer automatiquement au système 10, pendant son fonctionnement normal, du frigorigène en quantité nécessitée par la fuite de frigorigène depuis le 15 système 10. Bien que cela ne soit pas absolument indispensable, il est très appréciable que le système 10 comprenne en outre un accumulateur 24 raccordé en aval de l'évaporateur 20 pour en recevoir du frigorigène chauffé et en amont du compresseur 14 pour lui fournir du frigorigène 20 en phase gazeuse. L'accumulateur 20 renferme un volume 25 d'accumulation pour l'emmagasinage de frigorigène et pour la séparation des phases liquides gazeuses du frigorigène afin de fournir du frigorigène en phase gazeuse au compresseur 14. Comme précédemment, bien que cela ne soit 25 pas absolument indispensable, il est également très appréciable que le système 10 comprenne en outre un échangeur de chaleur dans la conduite d'aspiration, indiqué en 26, pour transmettre de la chaleur depuis le frigorigène du côté à haute pression du circuit 12 d'écoulement de 30 frigorigène au frigorigène se trouvant dans le côté à basse pression du circuit 12 d'écoulement de frigorigène. A cet égard, l'échangeur de chaleur 26 de la conduite d'aspiration peut soit être intégré dans l'accumulateur 24, comme représenté, soit être un échangeur de chaleur séparé, 35 comme cela est connu. 2904099 7 Le système 22 de rechargement automatique comprend avantageusement un récipient 30 à frigorigène, avantageusement sous la forme d'un corps cylindrique 32, et une vanne de commande 34 raccordée entre une sortie 36 du 5 récipient 30 et le côté à basse pression du circuit 12 d'écoulement de frigorigène pour commander l'écoulement de frigorigène depuis le récipient 30 dans la partie restante du système 10. Le récipient 30 renferme un volume de recharge 38 qui emmagasine une masse de frigorigène pour 10 recharger le système 10, et emmagasine avantageusement une masse appropriée de frigorigène pour recharger le système 10 pendant un certain nombre d'années de fonctionnement. Dans l'une des formes de réalisation les plus simples du système de recharge 22, la vanne de commande 34 15 est fournie sous la forme d'une valve à décharge ayant un débit de décharge qui est réglé pour permettre l'introduction par décharge dans le système d'un certain nombre de grammes de frigorigène chaque année afin de compenser automatiquement la fuite prévue à partir du 20 système. Par exemple, dans une forme de réalisation du système 10, il est prévu qu'un débit de décharge à travers la vanne 34 soit d'environ 20 g de CO2 frigorigène par an pour compenser automatiquement la fuite du système. Dans une autre forme de réalisation du système de 25 recharge 22, la vanne de commande 34 se présente sous la forme d'une vanne normalement fermée, telle qu'une électrovanne, qui réagit à un signal provenant du système 10 pour s'ouvrir temporairement et délivrer une quantité distincte de frigorigène au système 10. A cet égard, des 30 capteurs 42, 44 et 46 sont avantageusement placés pour contrôler la pression d'aspiration, le volume de déplacement du compresseur et la température ambiante pendant le fonctionnement du système 10 et pour fournir un signal à une unité de commande 48. Si la pression 35 d'aspiration descend en dessous d'un niveau prédéterminé PL pendant une certaine période de temps tp (par exemple, cinq 2904099 8 minutes après la mise en marche du système 10) sous des conditions de température ambiante modérées à élevées, (par exemple des températures ambiantes supérieures à 30 C) tandis que le compresseur 14 a un volume de déplacement 5 partiel, l'unité de commande 48 ordonne à la vanne de commande 34 de s'ouvrir pendant une très courte période de temps (par exemple une demi-seconde) afin de fournir une quantité distincte de frigorigène au système 10 pour effectuer une charge automatique. Après ceci, le système 10 10 continue le contrôle pendant la période de temps tp et si la pression d'aspiration est encore en dessous de PL, le système répète le processus. Autrement, le système de recharge 22 se place en mode d'attente dans lequel le système 22 contrôle les paramètres à partir des capteurs 15 42, 44 et 46 pour déterminer si une autre charge automatique est nécessaire. Dans des conditions de basse température ambiante, le système 22 reste dans le mode d'attente avec la vanne 34 fermée. Le système de recharge 22 fait partie intégrante 20 du système de refroidissement 10 afin qu'il puisse fonctionner pendant le fonctionnement normal du système de refroidissement 10. A cet égard, le récipient 30 de frigorigène et la vanne 34 du système de recharge 22 peuvent être montés sur ou portés par l'accumulateur 24. 25 Cependant, il convient de noter qu'il existe de nombreuses possibilités pour intégrer le système de recharge 22 dans le système de refroidissement 10. Par exemple, en référence 30 prévu sous la forme avantageusement de diamètre descendant d'un conduit 52 l'évaporateur 20 et 35 que le récipient 30 à la figure 4, il est réalisation du système 10 faible jusqu'à représenté une autre forme de dans laquelle le récipient 30 est d'un tube cylindrique 50, diamètre (par exemple d'un 20 mm), qui s'étend le long à basse pression raccordé entre le compresseur 14. A cet égard, alors et le conduit 52 sont représentés en 2904099 9 amont de l'accumulateur 24, il pourrait également être placé en aval de l'accumulateur 24. Il convient de noter que tous les constituants décrits ci-dessus du système 10, y compris les constituants 5 du système de recharge 22, ont été décrits de façon générale car il existe de nombreuses formes appropriées pour chacun des constituants du système 10 et la configuration particulière choisie dépend notablement des exigences pour chaque application particulière, comme cela 10 peut être déterminé par l'homme du métier. Il convient également de noter que, du fait de la présence de la vanne de commande 34, le système de recharge 22 peut fournir automatiquement du frigorigène au système de refroidissement 10 tandis que le système de refroidissement 15 transcritique est en fonctionnement pour compléter une perte de frigorigène due à une fuite sans nécessiter une intervention humaine quelconque. Bien que cela ne soit pas représenté, un raccord à séparation rapide, ou un autre raccordement de fluide 20 approprié peut être prévu, avantageusement entre le récipient 30 et la vanne 34, pour permettre au récipient 30 d'être remplacé manuellement lorsqu'il a été épuisé de sa charge de frigorigène, de préférence après un certain nombre d'années de fonctionnement du système de 25 refroidissement 10. La figure 3 est un graphique montrant les différences de capacité d'emmagasinage de charge en fonction de la température ambiante entourant le système 10 et de la capacité de pression du récipient pour le 30 frigorigène. Le graphique suppose une charge de 120 g de frigorigène supplémentaire qui peut être utilisée pour compenser la fuite de frigorigène sur une période de cinq ans. Chaque courbe du graphique représente un volume d'emmagasinage différent disponible pour la charge de 120 g 35 de frigorigène. On peut voir d'après le graphique que plus la capacité de pression du récipient de frigorigène est 2904099 10 grande, plus le volume demandé pour la charge de frigorigène est petit. Par exemple, si le récipient à frigorigène a une limite de pression de 110 bars à 80 0C (comme cela peut être parfois typique pour un 5 accumulateur), un volume de 460 cm3 est nécessaire pour loger la charge de 120 g de frigorigène, mais si la limite de pression du volume d'emmagasinage est élevé à 200 bars, le volume du récipient à frigorigène peut être réduit à 200 cm3. Ainsi, en prévoyant un récipient séparé 30 pour la 10 charge de frigorigène, on permet au système 22 d'emmagasiner le frigorigène à une pression plus élevée que celle pouvant être acceptée sur le côté à basse pression du système 10 et, par conséquent, on peut emmagasiner la charge nécessaire de frigorigène dans un volume beaucoup 15 plus petit que celui qui serait possible dans l'accumulateur 24. Ceci permet une réduction des dimensions et du poids du système en comparaison avec un système de refroidissement dans lequel on tente de compenser la fuite depuis le système en plaçant un volume supplémentaire dans 20 l'accumulateur 24. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système et au procédé décrit et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de refroidissement transcritique, caractérisé en ce qu'il comporte un compresseur (14) destiné à fournir un frigorigène sous pression au système (10) ; un refroidisseur à gaz {16) raccordé en aval du compresseur pour en recevoir du frigorigène sous pression et fournir au système du frigorigène sous pression, refroidi ; un dispositif de détente (18) raccordé en aval du refroidisseur à gaz pour en recevoir du frigorigène sous pression, refroidi, et pour fournir au système du frigorigène à deux phases, à pression réduite ; un évaporateur (20) raccordé en aval du dispositif de détente pour en recevoir du frigorigène à deux phases, à pression réduite, et raccordé en amont du compresseur pour fournir à celui-ci du frigorigène chauffé, sous pression réduite ; et un système (22) de rechargement automatique de frigorigène raccordé au système de refroidissement en aval de l'évaporateur et en amont du compresseur pour fournir automatiquement du frigorigène additionnel afin qu'il circule dans le système, le système de rechargement de frigorigène comportant un récipient (30) à frigorigène destiné à emmagasiner une charge de frigorigène sous une pression supérieure à la pression du frigorigène sortant de l'évaporateur, et une vanne de commande (34) raccordée entre le récipient et la partie restante du système pour commander la libération de frigorigène depuis le récipient à frigorigène pour une circulation dans le système de refroidissement. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un accumulateur (24) raccordé en aval de l'évaporateur pour en recevoir du frigorigène chauffé et en amont du compresseur pour lui fournir du frigorigène en phase gazeuse, et dans lequel la vanne de commande est raccordée à l'accumulateur pour lui fournir du frigorigène à partir du récipient à frigorigène. 2904099 12 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système de rechargement de frigorigène est porté par l'accumulateur. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé 5 en ce qu'il comporte en outre un conduit (52) à basse pression, raccordé entre l'évaporateur et le compresseur pour transférer du frigorigène de l'évaporateur au compresseur, et en ce que le récipient à frigorigène est un tube cylindrique (50) s'étendant le long d'une partie 10 extérieure du conduit à basse pression. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vanne de commande comprend une vanne de décharge (34) ayant un débit de décharge préalablement choisi dans le système de refroidissement, sur la base 15 d'une fuite anticipée de frigorigène depuis le système. 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vanne de commande comprend une vanne normalement fermée qui, en réponse à un signal provenant du système de refroidissement s'ouvre temporairement et 20 fournit une quantité distincte de frigorigène au système de refroidissement. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre plusieurs capteurs (42, 44, 46) destinés à contrôler des paramètres du système, et une 25 commande (48) connectée aux capteurs et à la vanne de commande pour fournir le signal à la vanne de commande en réponse à des informations provenant des capteurs. 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur est un compresseur volumétrique 30 variable. 9. Procédé de rechargement automatique d'un système de refroidissement transcritique qui présente une fuite de frigorigène, le système de refroidissement (10) comportant un compresseur (14), un refroidisseur à gaz 35 (16), un dispositif de détente (18), un évaporateur (20) et un volume d'accumulation (24) qui sont tous raccordés en 2904099 13 série dans une boucle (12) de frigorigène, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent : à) à emmagasiner du frigorigène dans un volume de 5 rechargement (38) qui est isolé hydrauliquement du volume d'accumulation et sous une pression qui est supérieure à la pression du frigorigène dans le volume d'accumulation, le volume de rechargement faisant partie du système de refroidissement pendant le fonctionnement normal de celui- 10 ci ; et b) à libérer automatiquement du frigorigène du volume de rechargement dans le système pour remplacer le frigorigène qui a fui du système. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé 15 en ce que l'étape b) comprend une décharge continue de frigorigène dans le système de refroidissement depuis le volume de rechargement pendant le fonctionnement normal du système de refroidissement. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé 20 en ce qu'il comprend en outre l'étape de contrôle automatique du système de refroidissement pour déterminer si du frigorigène doit être libéré du volume de rechargement dans le système de refroidissement, et en ce que l'étape b) comprend en outre la libération du 25 frigorigène dans le système de refroidissement en réponse à l'étape de contrôle automatique. 12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de contrôle comprend le contrôle de la pression d'une conduite d'aspiration du système de 30 refroidissement, le contrôle d'une température ambiante et le contrôle d'un volume déplacé du compresseur. 13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape de remplacement périodique du volume de rechargement après que le 35 frigorigène en a été épuisé. 2904099 14 14. Procédé de rechargement automatique d'un système de refroidissement transcritique qui présente une fuite de frigorigène, le système de refroidissement (10) comportant un compresseur (14), un refroidisseur à gaz 5 (16), un dispositif de détente (18) et un évaporateur (20) qui sont tous raccordés en série dans une boucle (12) de frigorigène, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent : a) à emmagasiner du frigorigène dans un volume de 10 rechargement (38) sous une pression qui est supérieure â la pression du frigorigène dans un côté d'aspiration de la boucle de frigorigène, le volume de rechargement faisant partie du système de refroidissement pendant le fonctionnement normal de celui-ci ; et 15 b) à libérer automatiquement du frigorigène depuis le volume de rechargement dans le système pour remplacer le frigorigène qui a fui du système. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape b) comprend la décharge en 20 continu de frigorigène dans le système de refroidissement depuis le volume de rechargement pendant le fonctionnement normal du système de refroidissement. 16. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape de 25 contrôle automatique du système de refroidissement pour déterminer si du frigorigène doit être libéré du volume de rechargement dans le système, et en ce que l'étape b) comprend en outre la libération du frigorigène dans le système de refroidissement en réponse à l'étape de contrôle 30 automatique. 17. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape de contrôle comprend le contrôle de la pression d'une conduite d'aspiration du système de refroidissement, le contrôle de la température 35 ambiante et le contrôle d'un volume de déplacement du compresseur. 2904099 15 18. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape de remplacement périodique du volume de rechargement après que le frigorigène en a été épuisé.