Brevet FR2912800A1 — publié le 20080822

Circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant fonctionnant en mode supercritique L'invention se rapporte aux circuits de climatisation parcourus par un fluide 5 réfrigérant fonctionnant en mode supercritique, notamment pour véhicules automobiles. Dans un circuit de climatisation de ce type, le fluide réfrigérant, peut être en particulier du dioxyde de carbone (CO2). En partie haute pression, le CO2 peut 10 être à l'état gazeux, supercritique, diphasique ou liquide en fonction des conditions de fonctionnement (la pression varie entre 55 bar et 140 bar) ; en partie basse pression, le CO2 peut être liquide, diphasique, ou gazeux en fonction de l'endroit de la boucle ou l'on se situe (la pression varie entre 25 bar et 57 bar). 15 Un circuit de ce type, aussi appelé boucle, comprend essentiellement un compresseur, un refroidisseur de gaz, un échangeur de chaleur interne, un détendeur et un accumulateur, ainsi que des conduits de liaison. Dans un tel circuit, le refroidisseur de gaz remplace le condenseur utilisé dans les circuits 20 de climatisation conventionnels utilisant des fluides réfrigérants à changement de phase. L'échangeur de chaleur interne assure, quant à lui, un transfert de chaleur entre les parties à haute pression et à basse pression du circuit afin d'améliorer les performances du cycle thermodynamique (puissance frigorifique et efficacité énergétique). 25 Le fluide réfrigérant à haute pression provenant du compresseur est refroidi dans le refroidisseur de gaz, passe ensuite dans une première partie de l'échangeur de chaleur interne, puis est détendu par le détendeur. Le fluide à basse pression quittant le détendeur passe ensuite au travers de l'évaporateur, 30 de l'accumulateur et dans une deuxième partie de l'échangeur interne avant de retourner vers le compresseur. L'échangeur de chaleur interne est monté en sortie du refroidisseur de gaz et de l'accumulateur, sa fonction étant de sous-refroidir le fluide réfrigérant à haute pression sortant du refroidisseur de gaz par le fluide réfrigérant à basse pression sortant de l'accumulateur. Un tel échangeur de chaleur interne permet d'améliorer les performances dans les conditions de fonctionnement difficiles, notamment par températures ambiantes élevées. La conception d'un circuit de climatisation fonctionnant avec un fluide réfrigérant en mode super-critique, tel que le dioxyde de carbone ou CO2, 1 o encore connu sous sa dénomination commerciale R744 , pose de nombreux problèmes dans la pratique. Par rapport à un circuit de climatisation fonctionnant avec un fluide réfrigérant classique, c'est-à-dire en mode sous-critique, un circuit de climatisation 15 fonctionnant en mode super-critique est parcouru par un fluide réfrigérant gazeux dont la pression est très supérieure à celle d'un fluide réfrigérant classique. Il est donc nécessaire pour cela d'utiliser des composants et des conduits de 2o liaison qui résistent à de telles pressions élevées. Cela nécessite, pour des questions de sécurité, que les pressions d'éclatement soient de l'ordre de 300 bar en partie basse pression et de l'ordre de 400 bar en partie haute pression. II en résulte l'obligation de recourir à des composants et 25 conduits spécifiques qui doivent être beaucoup plus résistants et donc plus lourds que dans le cas des circuits de climatisation classiqués. Un autre problème lié à de tels circuits est celui de la charge en fluide réfrigérant. II est nécessaire en effet de charger le circuit de climatisation, en ayant une réserve de fluide réfrigérant suffisante sans toutefois que la charge moyenne du 30 fluide réfrigérant dans le circuit n'excède 260 grammes par litre de circuit ou de boucle. On entend par charge moyenne la charge du fluide réfrigérant dans le circuit lorsque le circuit de climatisation n'est pas en fonctionnement. Autrement dit, la charge en fluide réfrigérant ne doit pas dépasser une certaine valeur par rapport à la capacité volumique du circuit exprimée en litre. En effet, au-delà de la valeur précitée, et à partir d'une température de 31 C, qui correspond à la température critique du fluide réfrigérant précité, la pression clans le circuit croît de manière sensiblement proportionnelle à la température. On comprend, dans ces conditions, que si la charge moyenne en fluide réfrigérant dépasse la valeur de 260g par litre, telle que mentionnée précédemment, la pression augmentera de manière significative en fonction de la température. Dans ce cas, un risque de détérioration des différents composants de la boucle de climatisation, tel que le compresseur ou l'évaporateur, apparaît du fait de la forte augmentation de pression. Un autre problème à considérer est celui du retour de l'huile de lubrification (cette huile peut être entre autre de la PAG, de la POE ou PVE) dans le circuit, et cela dans toutes les conditions de fonctionnement, c'est-à-dire aussi bien à charge thermique faible qu'à charge thermique élevée. On entend par charge thermique la différence de température entre l'air à traiter, c'est-à-dire non refroidi, et la température de l'air délivré, c'est-à-dire refroidi, dans l'habitacle du véhicule. Plus la différence entre ces deux températures est grande, plus il est nécessaire à la boucle de climatisation de fournir un débit élevé de fluide réfrigérant pour atteindre au plus vite la température de l'air délivré dans l'habitacle. Ainsi, une faible charge thermique implique un faible débit de fluide réfrigérant dans la boucle de climatisation et une charge thermique élevée implique un débit élevé de fluide réfrigérant dans la boucle de climatisation.30 On sait, en effet, que le compresseur d'un tel circuit doit être lubrifié en permanence et que l'huile qui assure sa lubrification est véhiculée par le fluide réfrigérant. Or, dans un circuit du type précité, la vitesse du fluide réfrigérant peut varier dans des proportions importantes en fonction de la charge thermique. À cet égard, le problème se pose tout particulièrement à charge thermique faible, lorsque la vitesse du fluide réfrigérant est aussi particulièrement faible, 10 ce qui pénalise alors le retour de l'huile de lubrification. À la suite de travaux de recherche, la Demanderesse a constaté qu'il était judicieux de tenir compte d'un paramètre particulier, à savoir celui du diamètre interne de certains au moins des conduits de liaison d'un circuit du type précité. 15 Par l'expression conduit de liaison , on entend désigner ici un conduit ou une ligne qui relie entre eux deux composants successifs du circuit, ces composants étant ceux indiqués précédemment, à savoir le compresseur, le refroidisseur de gaz, l'échangeur de chaleur interne, le détendeur, l'évaporateur et 20 l'accumulateur. À la connaissance de la Demanderesse, un tel paramètre n'avait pas été pris en compte jusqu'à présent dans la conception d'un circuit du type précité. 25 Dans un tel circuit, il faut distinguer essentiellement deux types de conduits de liaison : - les conduits à haute pression qui comprennent ceux s'étendant entre le compresseur et le refroidisseur de gaz, entre le refroidisseur de gaz et 30 l'échangeur de chaleur interne, et entre l'échangeur de chaleur interne et le détendeur. - Les conduits à basse pression qui comprennent ceux s'étendant entre le détendeur et l'évaporateur, entre l'évaporateur et l'accumulateur, entre l'accumulateur et l'échangeur de chaleur interne, et entre l'échangeur de chaleur interne et le compresseur. On dénombre ainsi trois conduits à haute pression et quatre conduits à basse pression, soit sept conduits au total. [)ans la technique antérieure, les conduits à haute pression ont généralement 10 un diamètre interne de l'ordre de 6mm, tandis que les conduits à basse pression ont généralement un diamètre interne de l'ordre de 8mm. Compte tenu de la résistance à la pression qu'ils doivent présenter, ces conduits connus ont des diamètres externes importants et donc des poids élevés. 15 Par ailleurs, il a été proposé récemment que les conduits à haute pression, compris entre le refroidisseur de gaz et le détendeur, présente un diamètre externe entre 2mm et 4mm. Toutefois, cet art antérieur ne mentionne aucune valeur pour le diamètre 20 interne. Il est simplement fait état de tubes capillaires, ce qui peut tout au plus laisser entendre des tubes de diamètres très fins, c'est-à-dire inférieurs à I mm. De tels tubes capillaires ont notamment pour inconvénient d'accroître de façon très importantes les pertes de charge lorsque le débit de réfrigérant (le R744 en l'occurrence) est élevé. 25 L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle propose à cet effet un conduit de liaison pouvant être intégré à un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant fonctionnant en mode 30 supercritique, ledit conduit de liaison s'étendant dans une partie du circuit de climatisation comprise entre un refroidisseur de gaz du circuit de climatisation et5 un évaporateur du circuit de climatisation, caractérisé en ce que le conduit de liaison a un diamètre interne qui est compris entre 3 et 5 mm. On entend par pouvant être intégré le fait que le conduit de liaison peut 5 relier les différents composants du circuit de climatisation entre eux. La satisfaction d'une telle exigence permet de parvenir aux différents buts rnentionnés ci-dessus. 10 Cela permet notamment d'améliorer la résistance à la pression, de diminuer le poids des conduits de liaison, de diminuer également le coût de fabrication des conduits et d'améliorer le retour d'huile lors de charge thermique faible par rapport aux conduits de poids élevé dont le diamètre interne est de 6 ou 8 mm. Cela permet également, par rapport aux tubes capillaires, de diminuer la perte 15 de charge, ce qui améliore l'efficacité énergétique de la boucle de climatisation et de réduire les nuisances sonores provoquées lorsque le débit de fluide est élevé dans ces tubes capillaires. Il résulte également de la présence de conduits selon l'invention une 20 optimisation de la charge de fluide avec une augmentation de la réserve de la boucle. Selon une autre caractéristique de l'invention, le conduit de liaison est l'un au moins des conduits suivants : le conduit de liaison reliant le refroidisseur de gaz 25 à un échangeur de chaleur interne du circuit de climatisation, le conduit de liaison reliant l'échangeur de chaleur interne à un détendeur du circuit de climatisation, et le conduit de liaison reliant le détendeur à l'évaporateur. Avantageusement, le conduit de liaison reliant le refroidisseur de gaz à 30 l'échangeur de chaleur interne a un diamètre interne compris entre 3,5 et 4,5 mm. Avantageusement, le conduit de liaison reliant l'échangeur de chaleur interne au détendeur a un diamètre interne compris entre 3,5 et 4,5 mm. Avantageusement, le conduit de liaison reliant le détendeur à l'évaporateur a un diamètre interne compris entre 3,5 et 4 mm. Selon une autre caractéristique de l'invention, le diamètre interne est de 4 mm. Selon une autre caractéristique de l'invention, le fluide réfrigérant est du dioxyde de carbone. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 unique représente un circuit de climatisation du type parcouru par un fluide réfrigérant fonctionnant en mode super-critique, conformément à l'invention. 20 On se réfère à la figure 1 unique qui représente un circuit de climatisation, en lui-même connu, propre à être parcouru par un fluide réfrigérant fonctionnant en mode super-critique. Comme déjà indiqué, un tel fluide réfrigérant est avant tout un gaz tel que du dioxyde de carbone (CO2) encore connu par sa dénomination commerciale 25 R744 . Le circuit représenté comprend essentiellement les composants suivants : un compresseur 10, un refroidisseur de gaz 12, un échangeur de chaleur interne 14, un détendeur 16, un évaporateur 18 et un accumulateur 20. Le fluide réfrigérant à haute pression (typiquement de l'ordre de 120 bar) provenant du compresseur 10 est envoyé vers le refroidisseur de gaz 12 au 30 moyen d'un premier conduit de liaison 22. Le fluide réfrigérant est alors refroidi dans le refroidisseur de gaz et parvient ensuite dans une première partie 14-1 de l'échangeur de chaleur interne 14 par un deuxième conduit de liaison 24. À la sortie de l'échangeur de chaleur interne 14, le fluide parvient par un troisième conduit de liaison 26 au détendeur 16. Le fluide réfrigérant à haute pression est alors détendu par le détendeur 16 et parvient ensuite à l'évaporateur 18 par un quatrième conduit de liaison 28. À la sortie de l'évaporateur 18, le fluide réfrigérant gagne l'accumulateur 20 par un cinquième conduit de liaison 30. Ensuite, à la sortie de l'accumulateur 20, le fluide réfrigérant gagne une deuxième partie 14-2 de l'échangeur de chaleur interne 14, via un sixième conduit de liaison 32. Enfin, à la sortie de l'échangeur de chaleur interne 14, le fluide réfrigérant gagne le compresseur 10 par un septième conduit 34. Le fluide peut alors recommencer le cycle décrit précédemment, et ainsi de suite. Dans l'échangeur de chaleur interne 14, le fluide chaud et à haute pression circulant dans la première partie ou branche 14-1, échange de la chaleur avec le fluide froid et à basse pression circulant dans la deuxième partie ou branche 14-2. L'évaporateur 18 permet de produire un flux d'air froid ou climatisé pouvant être 25 envoyé, par exemple, dans l'habitacle d'un véhicule automobile. Conformément à l'invention, l'un au moins des conduits de liaison suivants : le conduit de liaison 24 reliant le refroidisseur de gaz 12 à l'échangeur de chaleur interne, le conduit de liaison 26 reliant l'échangeur de chaleur interne 14 au 30 détendeur 16 et le conduit de liaison 28 reliant le détendeur 16 à l'évaporateur 18, présente un diamètre interne compris entre 3 et 5mm. Selon l'invention, il est avantageux que chacun de ces trois conduits de liaison ait un diamètre interne compris entre 3 et 5mm, comme indiqué précédemment. En particulier, il est avantageux que les conduits de liaison 24 et 26 aient un 5 diamètre interne compris entre 3,5 et 4,5mm. Par contre, pour le conduit de liaison 28 qui relie le détendeur 16 à l'évaporateur 18, ce diamètre interne peut être compris dans une gamme plus étroite, à savoir entre 3,5 et 4mm. Pour des raisons de standardisation, il est avantageux en pratique d'adopter une valeur de 4mm pour le diamètre interne de chacun des conduits de liaison précédents. 15 Les tableaux 1 et 2 ci-après expriment les résultats obtenus pour les différents conduits de liaison d'un circuit de climatisation du type précité, parcouru par du dioxyde de carbone (CO2), pour différentes valeurs du diamètre interne. Dans chacun des deux tableaux, on a indiqué des valeurs de diamètre interne 20 de 2 à 8mm, avec une augmentation du diamètre interne selon un intervalle de 0,5mm. On a indiqué également pour chacun des conduits 24, 26, 28 la valeur de la densité du fluide réfrigérant en gramme par litre. Le tableau donne les valeurs de la vitesse du fluide réfrigérant exprimée en mètre par seconde. 25 Les tableaux 1 et 2 correspondent respectivement à des fonctionnements à forte charge thermique et à faible charge thermique. Pour le tableau 1 illustrant un fonctionnement à forte charge thermique, le débit de fluide dans la boucle de climatisation est fixé à environ 200 kg/h. Pour le tableau 2 illustrant un fonctionnement à faible charge thermique, le débit de fluide dans la boucle de 30 climatisation est fixé à environ 42 kg/h. 10 Tableau 1 Densité Diamètre (mm) (9/L) 5,5 5 4,5 4 3,5 2,5 I 2 Conduit 241 580 1,9 2,2 2,5 2,9 3,4 4,0 4,9 6,0 7,6 10,0 13,6 19,5 30,5 Conduit 261 800 1,4 1,6 1,8 2,1 2,5 2,9 3,5 4,4 5,5 7,2 9,8 14, 2 22,1 Conduit 28 390 2,8 3,2 3,7 4,3 5,0 6,0 7,3 9,0 11,3 14,8 20,2 29,0 45,4 Tableau 2 --jDensitel Diamètre (mm) (9/L) 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 2,5 Conduit 24 700 0,33 0,4 0,4 0,5 0,59 0,7 0,85 1 1,33 1,73 2,36 3, 4 5,31 Conduit 261 800 0,29 0,3 0,4 0,4 0,52 0,61 0,74 0,9 1,16 1,52 2,06 2,97 4,64 Conduit 28 320 ,8 1,1 i 1,29 1,54 1,86 2,3 2,9 3,79 5,16 7,43 11,61 Q73 Les conduits de liaison dont le diamètre interne est compris entre 3 et 5mm ont l'avantage de fournir, pour un fonctionnement à faible charge thermique (tableau 2), une vitesse du fluide réfrigérant généralement comprise entre 0,74 et 5,16 mètres par seconde (voir la zone entourée) ce qui permet un retour de l'huile de lubrification dans des conditions satisfaisantes, contrairement à un conduit de liaison de diamètre interne de 8mm (vitesse entre 0.29 et 0.73). De préférence, les conduits de liaison 24 et 26 ont un diamètre interne compris entre 3,5 et 4,5 mm, un tel diamètre donnant le meilleur compromis entre vitesse de fluide et perte de charge. De même, Les conduits de liaison dont le diamètre interne est compris entre 3 e1: 5mm ont l'avantage de fournir, pour un fonctionnement à forte charge (tableau 1), une vitesse du fluide réfrigérant généralement de l'ordre de 3,5 à 20,2 mètres par seconde (voir la zone entourée), ce qui permet aussi un retour 2 0 de l'huile de lubrification dans des conditions satisfaisantes, contrairement à un conduit de liaison de diamètre interne de 8 mm. De préférence, les conduits de liaison 24 et 26 ont un diamètre interne compris entre 3,5 et 4,5 mm un tel diamètre donnant le meilleur compromis entre vitesse de fluide et perte de charge. Pour des performances optimales, le conduit de liaison 28 a un diamètre 5 compris entre 3,5 et 4 mm, un tel diamètre donnant le meilleur compromis entre vitesse de fluide et perte de charge. Les conduits de liaison dont le diamètre interne est compris entre 3 et 5 mm présente en outre l'avantage, par rapport à des tubes capillaires, de permettre 10 un retour d'huile satisfaisant sans provoquer de pertes de charge impliquant des vibrations de la boucle de climatisation et des nuisances sonores. Ainsi, en choisissant des valeurs de diamètre internes entre 3 et 5 mm, on assure une valeur minimale de vitesse du fluide réfrigérant dans les conduits de 15 liaison pour permettre un retour de l'huile de lubrification dans de bonnes conditions, aussi bien à forte charge thermique qu'à faible charge thermique. En effet, des problèmes de durée de vie du compresseur pourraient survenir si un retour d'huile de lubrification n'était pas assuré dans de bonnes conditions. D'autre part, une vitesse trop élevée du fluide réfrigérant dans les conduits de liaison pourrait conduire à des problèmes de bruit. De préférence, les conduits de liaison 24 et 26 ont un diamètre compris entre 25 3,5 et 4,5 mm. Ainsi, de tels conduits de liaison permettent d'obtenir une vitesse élevée du fluide réfrigérant par rapport à la charge thermique sans pour autant provoquer des pertes de charge et des nuisances sonores. Au vu des résultats précédents, il apparaît qu'un diamètre interne de 4 mm 30 constitue un bon compromis qui peut être utilisé pour chacun des conduits de liaison 24, 26 et 28. 20 Les conduits de liaison sont habituellement réalisés en alliage d'aluminium, ou éventuellement en acier inoxydable. Les autres conduits de liaison (conduits 22, 30, 32 et 34) auront quant à eux un 5 diamètre interne de valeur classique de : - 6 mm (pour le conduit 22), - 8 mm (pour les conduits 30, 32, 34). En appliquant les enseignements de l'invention, on peut obtenir des réductions 10 de poids significatives : - entre 50 % et 60 % pour les (conduits 24 et 26) par rapport aux conduits de liaison de diamètre de 6mm, et - environ 70 % pour (le conduit de liaison 28) par rapport aux conduits de liaison de diamètre de 8mm. 15 La diminution du diamètre interne conduit à une réduction de volume et ainsi à une optimisation du volume du circuit ou de la boucle de climatisation, étant donné que la densité dans ces conduits de liaison est supérieure à 260g par litre conduisant à une augmentation de la réserve de fluide réfrigérant dans 20 l'accumulateur. On obtient ainsi une meilleure résistance de la boucle de climatisation aux fuites et un temps de service plus élevé avant la maintenance. 25 En terme d'optimisation de charge de fluide, les gains ainsi obtenus seront les suivants : - 5 g de fluide réfrigérant pour un mètre de ligne (conduits 24 et 26), - 20 g de fluide réfrigérant pour un mètre de ligne (conduit 26). 30 L'invention trouve une application particulière aux circuits de climatisation utilisés pour les véhicules automobiles. Revendications 1. Conduit de liaison pouvant être intégré à un circuit de climatisation parcouru par un fluide réfrigérant fonctionnant en mode supercritique, ledit conduit de liaison s'étendant dans une partie du circuit de climatisation comprise entre un refroidisseur de gaz (12) du circuit de climatisation et un évaporateur (18) du circuit de climatisation, caractérisé en ce que le conduit de liaison (24, 26, 28) a un diamètre interne qui est compris entre 3 et 5 mm. 2. Conduit de liaison selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit de liaison est l'un au moins des conduits suivants : le conduit de liaison (24) reliant le refroidisseur de gaz (12) à un échangeur de chaleur interne (14) du circuit de climatisation, le conduit de liaison (26) reliant l'échangeur de chaleur interne (14) à un détendeur (16) du circuit de climatisation, et le conduit de liaison (28) reliant le détendeur (16) à l'évaporateur (18). 3 Conduit de liaison selon la revendication 2, caractérisé en ce que le conduit de liaison (24) reliant le refroidisseur de gaz (12) à l'échangeur de chaleur interne (14) a un diamètre interne compris entre 3,5 et 4,5 mm. 4. Conduit de liaison selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le conduit de liaison (26) reliant l'échangeur de chaleur interne (14) au détendeur (16) a un diamètre interne compris entre 3,5 et 4,5 mm. 25 5. Conduit de liaison selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le conduit de liaison (28) reliant le détendeur (16) à l'évaporateur (18) a un diamètre interne compris entre 3,5 et 4 mm. 6. Conduit de liaison selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que 3 0 le diamètre interne est de 4 mm. 13207. Conduit de liaison selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant est du dioxyde de carbone.