Brevet FR2934039A1 — publié le 20100122

Boucle de climatisation améliorée pour véhicule automobile L'invention concerne les boucles de climatisation à fluide réfrigérant sous-critique. Les dispositifs de climatisation automobile ont connu une progression et une évolution extrêmement importantes dans les deux dernières décennies. Ainsi, ces boucles sont quasiment passés du statut d'options luxueuses à celui de composant standard. Pour générer un flux d'air froid, un dispositif de climatisation comprend une boucle de climatisation dans laquelle un fluide réfrigérant circule. De manière générale, une boucle de climatisation comprend, dans le sens de circulation du fluide réfrigérant, un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur. Les exigences quant aux performances de ces éléments ont cru de manière parallèle à leur succès, et le futur de ces technologies passe maintenant par l'optimisation de ces boucles, tant en termes d'efficacité thermique qu'en termes de compacité (l'utilisation d'un échangeur de chaleur interne permettant de réduire la taille des composants de la boucle de climatisation). Ces évolutions quantitatives seront d'autant plus importantes dans l'avenir proche que de nombreux organismes nationaux et supranationaux imposent des critères de performance de plus en plus drastiques pour les générations de boucles de climatisation à venir. De ces faits, un échangeur de chaleur interne a été intégré dans la boucle de climatisation de sorte à améliorer la capacité de refroidissement ainsi que le coefficient de performance de la boucle de climatisation. Cependant, les boucles de climatisation comprenant un échangeur de chaleur interne sont restées non optimisées. En effet, la présence de l'échangeur de chaleur interne implique, dans certaines conditions d'utilisation, que le fluide réfrigérant en sortie du compresseur atteint une température supérieure à 130 degrés Celsius , voire 150 degrés Celsius. Une telle température doit être évitée, quelque soient les conditions d'utilisation. L'invention vient améliorer la situation en paramétrant le détendeur en fonction de l'efficacité intrinsèque de l'échangeur de chaleur interne intégré dans la boucle de climatisation. À cet effet, l'invention propose une boucle de climatisation pour véhicule automobile dans laquelle un fluide réfrigérant circule, comprenant un compresseur, un condenseur, un échangeur de chaleur interne, un détendeur thermostatique, et un évaporateur. Dans cette boucle de climatisation, au moins un paramètre intrinsèque du détendeur thermostatique est choisi en fonction d'une grandeur relative à l'efficacité de l'échangeur de chaleur interne. Une telle boucle de climatisation est particulièrement avantageuse car la demanderesse a découvert lors des essais qui ont abouti à cette optimisation que l'efficacité énergétique peut être grandement améliorée, tout en préservant la stabilité de la boucle de climatisation. En effet, cette boucle de climatisation permet ainsi d'offrir ainsi une excellente efficacité énergétique ainsi qu'une sécurité d'utilisation sous n'importe quelle condition de température, de débit et/ou de pression du fluide réfrigérant. Dans des modes de réalisation particuliers, la boucle peut en outre présenter les caractéristiques suivantes : Le fluide réfrigérant circulant dans la boucle de climatisation est un fluide sous-critique Ce fluide est, sans limitation, du R-134a, du HFO-1234yf, du R-152a ou du R-290. Le détendeur thermostatique comprend au moins un bulbe dans lequel un fluide est 30 logé et un pointeau relié au bulbe et faisant varier la section de passage d'un orifice de détente dans lequel passe le fluide réfrigérant sous l'effet de dilatation/contraction du25 bulbe, le pointeau étant également relié à un ressort exerçant une force de sens contraire à celle exercée par le bulbe. Le paramètre intrinsèque du détendeur thermostatique est le type de fluide logé à l'intérieur du bulbe agissant sur le pointeau et/ou l'intensité de la force exercée par le ressort sur le pointeau. La grandeur relative à l'efficacité (Eff) de l'échangeur de chaleur interne (10) est la pente du détendeur thermostatique (12). La valeur de pente est sensiblement égale à 0.582 1.05 -Ef f La valeur de pente [0,54. e^(1,05 -- Eff) ; 0,64 À e^(1,05 l'échangeur interne ; 15 La pente du détendeur thermostatique est supérieure ou égale à 0,75. L'efficacité thermique de l'échangeur interne est comprise entre 0,05 et 0,90 ; L'efficacité thermique de l'échangeur interne est comprise entre 0,25 et 0,70 ; 20 L'invention porte également sur un dispositif de climatisation comprenant une boucle de climatisation avec l'une des caractéristiques ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de 25 la description qui suit, tirée d'exemples donnés à titre illustratif et non limitatif, tirés des dessins sur lesquels : la figure 1 représente une vue schématique d'une boucle de climatisation selon l'invention ; - la figure Ibis représente un détendeur thermostatique ; 10 est comprise dans la plage Eff)] , où Eff est l'efficacité thermique de 30 - la figure 2 représente un diagramme de valeur de pente du détendeur thermostatique de la figure 1 en fonction de l'efficacité de l'échangeur de chaleur interne; et - la figure 2bis représente un diagramme de valeur de pente du détendeur thermostatique de la figure 1 en fonction du paramètre intrinsèque du détendeur thermostatique. 10 Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. La figure 1 représente un schéma général d'une boucle de climatisation 2 selon 15 l'invention. La boucle 2 comprend un compresseur 4, un condenseur 6, une bouteille 8, un échangeur interne 10, un détendeur 12, et un évaporateur 14. 20 Dans le mode de réalisation décrit, la boucle 2 est traversée par un fluide réfrigérant sous-critique appelé R134-a. Dans d'autres modes de réalisation, d'autres fluides réfrigérants sous-critiques peuvent être utilisés, comme par exemple du HFO-1234yf, du R-152a ou du R-290. 25 Le fluide réfrigérant sortant du condenseur 6 est accumulé dans la bouteille 8 sous forme liquide. Les échangeurs internes sont maintenant des éléments connus. Leur principe est de présenter au moins deux passes de fluide distinctes qui échangent de la chaleur entre 30 elles : l'échange de chaleur interne se fait entre le fluide réfrigérant à basse pression5 sortant de l'évaporateur 14 et le fluide réfrigérant à haute pression sortant du condenseur 6 et plus précisément de la bouteille 8. L'échangeur de chaleur interne permet donc d'optimiser le cycle thermodynamique en l'allongeant : le fluide réfrigérant à haute pression sortant du condenseur 6 (en phase liquide ou diphasique) est refroidi par le fluide à basse pression sortant de l'évaporateur. Dans l'exemple décrit ici, l'échangeur de chaleur interne est le composant 10 (cf figure 10 1). Ainsi, le fluide réfrigérant issu de la bouteille 8 passe de l'état de température et de pression mentionné (P1, Ti) à (P2, T2) sur la partie haute pression de la boucle de climatisation 2 après sont passage dans l'échangeur de chaleur interne 10. Le détendeur thermostatique 12 permet de détendre le réfrigérant qui se vaporise dans l'évaporateur 14 afin de refroidir l'air extérieur passant à travers l'évaporateur 14 pour atteindre l'habitacle du véhicule. 20 Ainsi, à l'entrée de la deuxième passe de l'échangeur interne 10, le fluide réfrigérant issu du détendeur 12 présente un état (P3, T3). À la sortie de cette deuxième passe, il passe à un état (P4, T4). Il est alors dirigé dans le compresseur 4, duquel il ressort à un état (P5, T5), puis 25 traverse le condenseur 6. En figure Ibis est représente le détendeur thermostatique 12. Ce détendeur thermostatique comprend un premier conduit 20 dans lequel le fluide réfrigérant circule à basse pression P3 en direction de l'échangeur de chaleur interne 10 et un deuxième 30 conduit 21 dans lequel le fluide réfrigérant circule à haute pression P2 en provenance de l'échangeur de chaleur interne 10. Le deuxième conduit 21 est connecté 15 fluidiquement, via un orifice 26, à un troisième conduit 22 dans lequel le fluide réfrigérant circule à basse pression avant d'atteindre l'évaporateur. Le détendeur comprend également un bulbe 23 dans lequel un fluide F est logé, un pointeau 24 mis en mouvement par le bulbe sous l'effet de la dilatation ou la compression du fluide F et un ressort 25 exerçant une force sur le pointeau 24 dans un sens contraire à la force exercée par le bulbe 23. Le pointeau 24 obture de façon variable l'orifice 26 dans lequel la détente du fluide réfrigérant s'effectue. Dans le cadre de ses recherches, la demanderesse a remarqué le couplage entre l'échangeur de chaleur interne 10 et le détendeur 12 est particulièrement important. Plus particulièrement, la demanderesse a établi une formule reliant l'efficacité Eff intrinsèque de l'échangeur de chaleur interne 10 à la pente (Slp) du détendeur thermostatique 12. On entend par � intrinsèque � le fait qu'un paramètre soit uniquement dépendant du composant auquel il est associé. Un tel paramètre intrinsèque ne dépend pas des autres composants formant la boucle de climatisation. On entend par � pente � du détendeur thermostatique, la pente (Slp) du détendeur thermostatique 12 définie selon la formule suivante: Slp = Pouv 5% (T = 10°C) - Pouv 5% (T = 0°C) Pouv 5% (T) est la pression du fluide réfrigérant pour une ouverture du détendeur de 5% de l'ouverture maximum lorsque la température du bulbe du détendeur thermostatique est à la température T (Po,,,, 5% (T)) du fluide réfrigérant. La détermination de l'efficacité intrinsèque Eff de l'échangeur de chaleur interne 10 permet de déterminer quelle sera la pente du détendeur thermostatique 12 dans la boucle de climatisation utilisant l'échangeur de chaleur interne 10 testé. Une fois que la pente du détendeur thermostatique 12 est calculée, un paramètre intrinsèque du détendeur thermostatique 12 est réglé de sorte à atteindre une capacité de refroidissement et un coefficient de performance optimaux de la boucle de climatisation pour la pente du détendeur thermostatique calculée. Le réglage de ce paramètre du détendeur thermostatique 12 permet d'atteindre un fonctionnement optimal de la boucle de climatisation pour la pente du détendeur thermostatique dépendante de l'échangeur de chaleur interne utilisé dans la boucle de climatisation. Par exemple, le réglage permet de ne pas dépasser une température T5 en sortie du compresseur de 130 degrés Celsius lorsque le débit du fluide réfrigérant est à son maximum dans la boucle de climatisation. L'efficacité de l'échangeur interne 10 (efficacité thermique basse pression) est définie par la formule : Eff = (~T - T3) où les Ti, T3 et T4 sont les températures définies plus haut. TI - T3 L'efficacité thermique (notée Eff) de l'échangeur de chaleur interne est définie pour les conditions expérimentales suivantes : PI = 19 bar, TI = 56°C, P2= 4,5 bar, T3 = 13°C et débit massique de fluide réfrigérant = 200 kg/h. Les températures T2 et T4 sont obtenues à partir de ces conditions expérimentales et permettent ainsi de déterminer l'efficacité thermique Eff de l'échangeur de chaleur interne. Cette efficacité est intrinsèque à l'échangeur de chaleur interne testé, c'est-à-dire qu'elle ne dépend pas des autres composants de la boucle de climatisation. Un exemple de valeur d'efficacité thermique est indiqué ci-dessous: Eff = 0,7 pour les conditions suivantes : P1 = 19 bar, P2= 4,5 bar, TI= 56°C, T3= 13°C, T4=43,8°C, T2 dépend du réfrigérant utilisé (R-134a : 35,3°C, HFO-1234yf : 33,9°C). La demanderesse a découvert qu'il est possible d'optimiser le coefficient de performance (COP) et la capacité de refroidissement de la boucle de climatisation 2 en agissant sur au moins un paramètre intrinsèque du détendeur thermostatique 12. Les tests réalisés par la demanderesse ont permis d'établir que la valeur optimale pour la pente du détendeur est obtenue lorsque celle-ci obéit à la formule suivante, représentée sur la figure 2 : .51p(Eff) = 0.582 4 1.05Eff La demanderesse a établi que les meilleures performances pour la boucle de climatisation 2 sont obtenues pour une pente de valeur supérieure ou égale à 0,75. Ici, la plage de variation de l'efficacité de l'échangeur de chaleur interne 10 est entre 5 et 90%. La demanderesse a également établi que les performances de la boucle de climatisation 2 restent excellentes sur la plage [0,54 8 e1m5°Eff ; 0,64 k el,05 f ], en particulier lorsque l'efficacité de l'échangeur interne 10 est comprise dans l'intervalle entre 0,25 et 0,70. Quelque soient les conditions de fonctionnement de la boucle de climatisation 2, il est important que la température du fluide réfrigérant en sortie du compresseur 4 ne soit pas supérieure à 130°C, ce qui limite l'efficacité permise pour l'échangeur interne 10. Afin de ne pas dépasser ce seuil de 130 degrés Celsius en sortie du compresseur, on ajuste au moins un paramètre intrinsèque du détendeur thermostatique 12 pour modifier par exemple Pouv_5% (T = 0°C) de sorte à atteindre les meilleures performances de la boucle de climatisation pour une pente donnée. En figure 2bis, quatre courbes ayant la même pente sont représentées. Ces quatre courbes correspondent à quatre réglages du paramètre intrinsèque du détendeur thermostatique 12. Le réglage modifie la pression du fluide réfrigérant pour une ouverture du détendeur de 5% de l'ouverture maximum mais ne modifie pas la pente du détendeur thermostatique uniquement dépendante de l'efficacité Eff de l'échangeur de chaleur interne 10.30 Le paramètre intrinsèque du détendeur thermostatique 12 est le type de fluide logé à l'intérieur du bulbe agissant sur le pointeau et/ou l'intensité de la force exercée par le ressort sur le pointeau. En conclusion, pour un échangeur de chaleur interne donné, on détermine son efficacité (Eff). En utilisant cet échangeur de chaleur interne dans une boucle de climatisation comprenant un détendeur thermostatique, on connaît alors la pente de ce détendeur pour cette boucle de climatisation. Connaissant cette pente, on cherche alors à optimiser le fonctionnement de cette boucle en modifiant un paramètre intrinsèque, tel que la force du ressort du détendeur thermostatique, pour atteindre les performances maximales de la boucle de climatisation considérée avec la pente déterminée du détendeur thermostatique. La description qui précède a pour but de décrire un mode de réalisation particulier de l'invention. Elle ne saurait être considérée comme limitant ou décrivant celle-ci de manière limitative, et couvre notamment l'ensemble des combinaisons entre elles des caractéristiques des variantes décrites. Revendications1. Boucle de climatisation (2) pour véhicule automobile dans laquelle circule un fluide réfrigérant, la boucle de climatisation (2) comprenant un compresseur (4), un condenseur (6), un échangeur de chaleur interne (10), un détendeur thermostatique (12), et un évaporateur (14), caractérisé en ce que au moins un paramètre intrinsèque du détendeur thermostatique (12) est choisi en fonction d'une grandeur relative à l'efficacité (Eff) de l'échangeur de chaleur interne (10). 2. Boucle de climatisation (2) selon la revendication 1, dans laquelle le fluide réfrigérant est un fluide sous-critique. 3. Boucle de climatisation (2) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le paramètre intrinsèque du détendeur thermostatique (12) est le type de fluide logé à l'intérieur d'un bulbe agissant sur un pointeau du détendeur thermostatique et/ou l'intensité de la force exercée par un ressort relié au pointeau. 4. Boucle de climatisation (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la grandeur relative à l'efficacité (Eff) de l'échangeur de chaleur interne (10) est la pente du détendeur thermostatique (12). 5. Boucle de climatisation (2) selon la revendication 4, dans laquelle ladite valeur de pente est sensiblement égale à 0.582 k et°05zEff . 6. Boucle de climatisation (2) selon la revendication 4, dans laquelle ladite valeur de pente est comprise dans la plage [o,54 7. Boucle de climatisation (2) selon l'une des revendications 4 à 6, dans laquelle la valeur de la pente est supérieure ou égale à 0,75. 10 8. Boucle de climatisation (2) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'efficacité thermique de l'échangeur de chaleur interne (10) est comprise entre 0,05 et 0,9. 9. Boucle selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'efficacité thermique de l'échangeur interne est comprise entre 0,25 et 0,70. 10. Dispositif de climatisation dans lequel il comprend une boucle de climatisation (2) selon l'une des revendications précédentes.10