Brevet FR2938050A1 — publié le 20100507

Boucle de climatisation comprenant une vanne en entrée du compresseur. Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des boucles de climatisation pour dispositif de climatisation d'air destinés à être installés dans un véhicule. Plus particulièrement, l'invention vise les boucles de climatisation destinées à fonctionner dans des zones géographiques présentant des températures élevées. Aussi, l'invention concerne une boucle de climatisation dans laquelle circule un fluide supercritique et comprenant au moins un compresseur, un évaporateur et un refroidisseur de gaz. Dans les boucles de climatisations connues utilisant des fluides frigorifiques classiques, de type souscritique comme le R134a, la pression de la boucle de climatisation à l'arrêt est déterminée par la température ambiante. Le fonctionnement du compresseur n'est ainsi pas compromis par les pressions généralement observées. Lorsqu'un fluide supercritique est utilisé, comme par exemple le dioxyde de carbone (CO2), la pression dans la boucle de climatisation est déterminée par le rapport masse de fluide sur température de fluide et cette pression peut atteindre des niveaux très importants. Par exemple, lorsque le véhicule, dans lequel la boucle de climatisation est installée, a roulé à grande vitesse puis s'arrête, le moteur sera alors très chaud. La température élevée du moteur entraîne alors une hausse de pression dans la boucle de climatisation contenant un fluide supercritique. Lorsque, en plus de cela, la chaleur à l'extérieur est importante, par exemple de l'ordre de 42-43° quand le véhicule est arrêté au soleil, la pression de la boucle de climatisation et donc la pression à l'entrée du compresseur peut atteindre des valeurs très élevées. Dans le cas où le compresseur est un compresseur à capacité fixe, si celui-ci est mis en marche dans ces conditions, il absorbe alors trop de matière et cela peut mener à une panne du système. En effet, le débit de fluide supercritique est alors si élevé que la haute pression atteint une valeur trop importante et dangereuse pour la sécurité de la boucle de climatisation, cette valeur pouvant conduire à l'explosion de la boucle de climatisation. En conséquence, lorsque le débit de fluide supercritique est trop élevé, le compresseur est stoppé et la boucle de climatisation est alors à l'arrêt, ce qui provoque un gène pour l'utilisateur puisque aucun flux d'air froid n'est produit par le dispositif de climatisation d'air. L'utilisation de compresseurs électriques à vitesse variable peut être envisagée pour résoudre au moins partiellement ce problème. Néanmoins, le plus souvent, la réfrigération est alors obtenue avec un délai important désagréable pour l'utilisateur. Cela est préjudiciable pour les conditions de confort. De plus, de tels compresseurs sont coûteux. Il existe également des dispositifs dans lesquels la boucle de climatisation est démarrée avec un pulseur éteint. Ainsi, aucun flux d'air ne traverse l'évaporateur de la boucle de climatisation ce qui implique qu'aucun échange de chaleur ne se produit entre le fluide supercritique parcourant l'évaporateur et le flux d'air traversant l'évaporateur. De la sorte, la basse pression à l'intérieur de l'évaporateur et donc à l'entrée du compresseur chute. Cette diminution de la basse pression évite un fort débit de fluide supercritique dans les premiers instants de fonctionnement de la boucle de climatisation et donc évite l'arrêt du compresseur. Obiet et résumé de l'invention 25 La présente invention a donc pour but de palier les inconvénients des boucles de climatisations de l'art antérieur en proposant une boucle de climatisation pour un dispositif de climatisation d'air dans laquelle circule un fluide supercritique et comprenant au moins un compresseur, un refroidisseur de gaz, un dispositif de 30 détente et un évaporateur, caractérisé en ce qu'une vanne est installée à l'entrée du compresseur, ladite vanne interdisant le passage du fluide supercritique à l'intérieur du compresseur lorsque la pression de la boucle de climatisation est supérieure à une pression dite plafond. Avec une telle boucle de climatisation, lorsque la pression dans la boucle de climatisation à l'arrêt est supérieure à la pression plafond, la vanne est complètement fermée de manière étanche. On entend par pression dans la boucle de climatisation la pression lorsque le compresseur est à l'arrêt. En effet, dans ce cas là, la pression est homogène dans toute la boucle de climatisation. Si la vanne est complètement fermée, le compresseur opère une auto-extraction, c'est-à-dire que le fluide supercritique à l'intérieur du compresseur est comprimé et envoyé vers le refroidisseur de gaz. De ce fait, la pression à l'entrée du compresseur diminue puisque le compresseur n'est plus alimenté en fluide du fait de la fermeture de la vanne. Ainsi, la pression d'aspiration, c'est-à-dire la pression à l'entrée du compresseur, baisse immédiatement et donc le débit de fluide supercritique en sortie du compresseur n'atteint pas une valeur critique, laquelle provoquant une haute pression critique mettant en péril la durée de vie de la boucle de climatisation. L'auto-extraction du compresseur permet au fluide supercritique de parcourir le refroidisseur de gaz, puis le dispositif de détente et enfin l'évaporateur. Ainsi, le dispositif de détente commence à réguler le débit de fluide supercritique à l'intérieur de la boucle de climatisation ce qui permet alors à la vanne de s'ouvrir pour alimenter le compresseur sans risque de surpression en aval du compresseur. La fermeture de la vanne peut ne pas être complète au démarrage de la boucle de climatisation avec un débit aspiré par le compresseur pendant l'auto-extraction restant très supérieur à celui qui arrive de la boucle de climatisation vers la vanne. On obtient alors le même type de résultat. Selon les principes de l'invention, le compresseur arrache du fluide sur son propre volume en utilisant ses capacités d'auto-extraction. Cette auto-extraction fait baisser rapidement la pression d'aspiration à l'entrée du compresseur. Une fois que la pression plancher est atteinte et la vanne complètement ouverte, on enregistre alors un débit massique de fluide supercritique moins important qu'en absence de vanne. Par rapport au démarrage de la boucle avec un évaporateur éteint, c'est-à-dire avec aucun échange de chaleur entre un flux d'air et le fluide supercritique parcourant l'évaporateur, l'invention permet d'atteindre le régime de réfrigération avec une durée de l'ordre de dix fois inférieure à celle observée en démarrant la boucle avec l'évaporateur éteint. En effet, grâce à l'invention, le volume aspiré par le compresseur lors de l'auto- extraction est alors très petit et la pression admissible est très rapidement atteinte. Selon un mode de réalisation, la vanne est installée en série avec le compresseur. Avantageusement, la fermeture/ouverture de la vanne est commandée automatiquement de manière à ce que, sur commande d'un démarrage du dispositif de climatisation après un arrêt et avant le démarrage du compresseur, dès lors que la pression dans la boucle de climatisation dépasse une pression dite plafond, la vanne présente une section réduite fonction de la pression observée dans la boucle, et de manière à ce que, une fois le compresseur démarré, la vanne présente une section maximale dès lors que la pression observée en entrée du compresseur est inférieure à une pression dite plancher. Dans une première variante du mode de réalisation, la pression plafond est égale à la pression plancher. Cette réalisation permet simplement que la plus basse pression pour laquelle la vanne est au moins partiellement fermée corresponde à la pression à laquelle la vanne est ensuite complètement ouverte. Selon une seconde variante, la pression plafond est supérieure à la pression plancher. Cette caractéristique autorise à ouvrir la vanne une fois atteinte une pression inférieure à la pression la plus basse à laquelle la vanne est au moins partiellement fermée. Cela permet d'extraire une quantité de matière encore plus importante avant l'ouverture de la vanne et d'assurer ainsi, par une boucle d'hystérésis sur la pression d'aspiration, la fourniture d'une quantité de matière admissible par le compresseur. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, la section réduite de la vanne est proportionnelle à la différence de pression entre la pression observée à l'entrée du compresseur et la pression plafond. Cette caractéristique permet d'assurer que la fermeture de la vanne soit adaptée aux conditions de pression à l'entrée du compresseur avant le démarrage du compresseur. Dans une réalisation particulière, la vanne est commandée de telle manière que, après démarrage du compresseur et jusqu'à ce que la pression en entrée du compresseur ait atteint la pression plancher, sa section est fonction de la pression en entrée du compresseur. La section de la vanne est alors adaptée à la pression observée en entrée du compresseur durant toute la période durant laquelle le compresseur fonctionne en auto-extraction. Cela permet d'assurer une ouverture progressive de la vanne en assurant de ne pas faire chuter le coefficient de performance de la boucle de climatisation de manière trop importante. Dans une implémentation, le compresseur étant électrique, la vanne fonctionne de manière complémentaire avec une régulation de la vitesse du compresseur. Cette caractéristique, particulière à l'utilisation d'un compresseur électrique, permet d'utiliser la vanne comme un complément intéressant à une régulation de la vitesse du compresseur. La vanne ainsi utilisée, permet d'accélérer la fourniture de la réfrigération tout en ne grevant pas le rendement global de la boucle de climatisation. Selon une caractéristique particulière, la pression plafond peut être choisie égale à 70 bar et la pression plancher à 65 bar. Ces valeurs correspondent aux pressions généralement admissibles dans les compresseurs utilisés dans les dispositifs de climatisation d'air destinés à être implémentés dans des véhicules. Dans une réalisation avantageuse, la boucle de climatisation est dimensionnée pour supporter, lors de son fonctionnement, des pressions comprises entre une pression minimale et la pression plafond. Cette caractéristique est autorisée par le fait que des pressions supérieures à la pression plafond n'ont pas à être gérées pendant le fonctionnement de la boucle de climatisation. Cela autorise l'utilisation de valves différentes de celles qui permettent la gestion de pressions pouvant aller jusque 90 bars. La précision de contrôle des valves est alors accrue. L'invention concerne aussi un procédé de démarrage d'un dispositif de climatisation d'air destiné à être installé dans un véhicule et comprenant une boucle de climatisation dans laquelle circule un fluide supercritique et comprenant au moins un compresseur, un évaporateur et un accumulateur, caractérisé en ce que, une vanne étant installée à l'entrée du compresseur, le procédé comprend une étape de réception d'une commande d'un démarrage du dispositif de climatisation après un arrêt, une étape de réduction de la section de la vanne lorsque la pression dans la boucle de climatisation dépasse une pression dite plafond, une étape subséquente de démarrage du compresseur, une étape d'ouverture progressive ou instantanée de la vanne, cette ouverture étant telle que la section de la vanne est maximale dès lors que la pression observée en entrée du compresseur est inférieure à une pression dite plancher. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. 20 Sur les figures : - la figure 1 est une représentation schématique d'une boucle de climatisation, implémentée dans un dispositif de climatisation d'air selon l'invention ; - la figure 2 représente un exemple de modification de la section de la valve fonction de la pression d'aspiration observée en entrée du compresseur. 25 Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 représente schématiquement une boucle de climatisation B telle qu'implémentée dans un dispositif de climatisation d'air selon l'invention. Dans cette boucle, circule un fluide supercritique. Un tel fluide est par exemple du dioxyde de carbone (CO2). Cette boucle comprend au moins, dans le sens de parcours du fluide à l'intérieur de la boucle de climatisation B, un compresseur 1, un refroidisseur de gaz 4, un dispositif de détente 5 et un évaporateur 2. Le fonctionnement de la boucle de climatisation B est commandé par un module de commande 6. Ce module de commande 6 reçoit diverses informations dont la température d'évaporation de l'air qui est mesurée par un capteur de température 7 placé à proximité de l'évaporateur 2 et les pressions de fluide dans la boucle de climatisation, notamment les pressions en entrée du compresseur et à la sortie de celui-ci par respectivement un premier et une deuxième capteurs de pression. Le module de commande 6 est également apte à contrôler le compresseur 1 Selon l'invention, la boucle de climatisation B comprend en outre une vanne 8 placée à l'entrée du compresseur 1. Cette vanne 8 est commandée par le module de commande 6 en fonction des données de pression de fluide. En variante, la vanne 8 s'ouvre et se ferme en fonction de la pression du fluide supercritique la parcourant. Dans ce cas, le fluide supercritique agit, en fonction de sa pression, sur un ressort qui contrôle le degré d'ouverture de la section de la vanne 8. Cette vanne 8 permet de contrôler le débit de fluide dans le compresseur 1. Cette vanne 8 est installée en série du compresseur 1 dans la boucle de climatisation B. En effet, lors d'un démarrage du compresseur 1, le débit de fluide dans le compresseur 1 est, dans une première approche, proportionnel au produit de la vitesse du compresseur 1 avec la pression dans la boucle de climatisation. L'invention permet de réduire de manière drastique ce débit de fluide initial.30 Quand le compresseur 1 est arrêté, les pressions s'égalisent de part et d'autre du compresseur 1, de façon à ce que la pression observée est identique dans toute la boucle de climatisation B. Ainsi, les premier Cl et deuxième C2 capteurs de pression mesurent la même valeur de pression de boucle de climatisation, que ce soit en entrée ou en sortie du compresseur 1. Selon l'invention, la vanne 8 est fermée au moins partiellement dès lors que la pression de la boucle de climatisation B est supérieure à une première pression dite plafond PPD avant le démarrage du compresseur. La mesure de pression utilisée pour déclencher la fermeture de la vanne 8 peut donc être théoriquement réalisée en n'importe quel point de la boucle de climatisation avant le démarrage du compresseur 1. 15 La figure 2 montre un exemple de proportionnalité entre la pression d'aspiration PA observée en entrée du compresseur et la section S de la vanne en mm2. Cette courbe peut être utilisée pour fermer partiellement la vanne 8 avant le démarrage du compresseur lorsque la pression dans la boucle est supérieure à une 20 pression plafond PPD, la vanne 8 étant ensuite ouverte complètement d'un seul coup dès lors que la pression de la boucle de climatisation a chuté sous la pression plancher PPR qui est ici égale à la pression plafond PPD. Cette courbe peut aussi être utilisée pour contrôler l'ouverture progressive de la 25 vanne 8 en corrélant la section instantanée de la vanne 8 avec la pression telle qu'observée en entrée du compresseur 1 pendant l'auto-extraction. On comprend ici que, pour une pression dans la boucle par exemple autour de 120 bars, la vanne 8 est quasiment complètement fermée lors du démarrage du 30 compresseur 1.10 En revanche, la section maximale de la vanne 8 étant de 80 mm2, on observe que, quand le compresseur 1 est démarré avec une pression de 70 bars dans la boucle, la vanne 8 est complètement ouverte. Pour les pressions entre 70 et 120 bars, la vanne 8 présente une fermeture partielle définie par la courbe de la figure 2. En se plaçant dans le cas où une pression de l'ordre de 90 bars est observée, une fois la vanne 8 partiellement fermée, le compresseur 1 démarre automatiquement et 10 aspire son propre volume. On observe alors une décroissance très rapide, moins de 200 millisecondes, de la pression d'aspiration qui vient très rapidement sous une pression plancher, par exemple choisie égale à 70 bars. Soit l'ouverture de la vanne 8 suit la chute de la pression, soit la vanne 8 n'est ouverte qu'une fois la pression plancher atteinte. Le tableau ci-dessous résume les résultats obtenus avec le fonctionnement de 20 l'invention en montrant la température en degrés Celsius observés TO en degré Celsius, la pression initiale dans la boucle PO en bar, la densité initiale RO en gramme par litre, la vitesse Vs du compresseur en litre, la masse M du fluide dans le compresseur à l'arrêt en gramme, le débit massique Mr observé en gramme par seconde, la durée de l'aspiration en auto-extraction du compresseur dt en secondes, 25 la masse extraite par le compresseur Mr.dt en gramme, la masse restante dans le compresseur M' en gramme, la pression PO(tO+dt) après 200 millisecondes ainsi que la densité RO(tO+dt) après 200 millisecondes. TO PO RO Vs M Mr dt Mr.dt M' PO(tO+dt) RO(tO+dt) 45 90 260 0,2 52 105,6 0,2 21,1 30,9 67,3 154,44 30 On remarque ainsi que l'invention permet, en un temps très limité, d'obtenir une pression convenable pour le fonctionnement du compresseur 1. 15 Grâce à la durée de fonctionnement courte en auto-extraction du compresseur 1, on évite de faire chuter le coefficient de performance et les limites opérationnelles correspondant aux exigences généralement requises sont respectées. Une fois une pression inférieure à la pression plancher atteinte, la vanne 8 est alors totalement ouverte, soit d'un seul coup, soit elle a été ouverte progressivement durant la chute de la pression et parvient à une ouverture maximale lorsque la pression plancher est atteinte. Le flux massique observé dans ce cas, est nettement inférieur au flux massique qui correspondait à la pression initiale. Le compresseur 1 a alors une capacité accrue pour établir le cycle de climatisation et réaliser la fonction de réfrigération de la boucle. A l'arrêt de la boucle de climatisation B, la pression d'aspiration est égale à la pression de refoulement qui est mesurée sur une boucle de climatisation à l'entrée du compresseur. On constate ici que la mise en oeuvre de l'invention nécessite la présence d'un capteur de pression à l'entrée du compresseur 1 afin de détecter que celle-ci est passé sous la pression plancher ou de contrôler l'ouverture progressive de la vanne 8 en fonction de la pression à l'entrée du compresseur 1. En général, un tel capteur est nécessairement déjà implémenté puisque les modules de commande fonctionnent en connaissant le rapport entre les pressions à l'entrée et à la sortie du compresseur 1. L'invention ne nécessite donc pas d'autre ajout matériel que la vanne 8 elle-même. La vanne 8 ainsi mise en oeuvre selon l'invention est un dispositif qui contrôle la chute de la pression d'aspiration de manière à diminuer la densité à l'entrée du compresseur 1 et ainsi à diminuer le débit massique. En outre, avec l'invention, il est possible de dimensionner la boucle de climatisation 30 de manière à ce qu'elle ne prenne en compte que des valeurs de pressions inférieures à la pression plancher. L'amplitude des pressions à contrôler est alors bien plus petite et il est alors possible d'augmenter, de manière très conséquente, la résolution des valves utilisées pour le contrôle de la boucle de climatisation. On remarque enfin que diverses mises en oeuvre peuvent être réalisées selon les 5 principes de l'invention. 12 REVENDICATIONS1. Boucle de climatisation (B) pour un dispositif de climatisation d'air dans laquelle circule un fluide supercritique et comprenant au moins un compresseur (1), un refroidisseur de gaz (4), un dispositif de détente (5) et un évaporateur (2), caractérisé en ce qu'une vanne (8) est installée à l'entrée du compresseur (1), ladite vanne (8) interdisant le passage du fluide supercritique à l'intérieur du compresseur (1) lorsque la pression de la boucle de climatisation est supérieure à une pression dite plafond (PPD). 2. Boucle de climatisation (B) selon la revendication 1, dans laquelle la vanne (8) est installée en série avec le compresseur (1). 3. Boucle de climatisation (B) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la fermeture/ouverture de la vanne (8) est commandée automatiquement de manière à ce que, sur commande d'un démarrage du dispositif de climatisation après un arrêt et avant le démarrage du compresseur (1), dès lors que la pression dans la boucle de climatisation dépasse une pression dite plafond (PPD), la vanne (8) présente une section réduite fonction de la pression observée dans la boucle, et de manière à ce que, une fois le compresseur (1) démarré, la vanne (8) présente une section maximale dès lors que la pression observée en entrée du compresseur (1) est inférieure à une pression dite plancher (PPR).25 4. Boucle de climatisation (B) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la section réduite de la vanne (8) est proportionnelle à la différence de pression entre la pression observée dans la boucle de climatisation à l'entrée du compresseur et la pression plafond. 5. Boucle de climatisation (B) selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la pression plafond (PPD) est égale à la pression plancher (PPR). 10 6. Boucle de climatisation (B) selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la pression plafond (PPD) est supérieure à la pression plancher (PPR). 7. Boucle de climatisation (B) selon l'une quelconque des revendications 3 15 à 6, caractérisé en ce que la vanne (8) est commandée de telle manière que, après démarrage du compresseur (1) et jusqu'à ce que la pression en entrée du compresseur (1) ait atteint la pression plancher (PPR), sa section est fonction de la pression en entrée du compresseur (1). 20 8. Boucle de climatisation (B) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le compresseur (1) étànt électrique, la vanne (8) fonctionne de manière complémentaire avec une régulation de la vitesse du compresseur (1). 25 9. Boucle de climatisation (B) selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la pression plancher (PPR) est de 65 bars.5 10. Boucle de climatisation (B) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression plafond (PPD) est de 70 bars. 11. Boucle de climatisation (B) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle de climatisation est dimensionnée pour supporter des pressions comprises entre une pression minimale et la pression plafond (PPD). 10 12. Procédé de démarrage d'une boucle de climatisation (B) pour un dispositif de climatisation d'air dans laquelle circule un fluide supercritique et comprenant au moins un compresseur (1), un évaporateur (2) et un accumulateur (3), caractérisé en ce que, une vanne (8) étant installée à 15 l'entrée du compresseur (1), le procédé comprend une étape de réception d'une commande d'un démarrage du dispositif de climatisation après un arrêt, une étape de réduction de la section de la vanne (8) lorsque la pression dans la boucle de climatisation dépasse une pression dite plafond (PPD), une étape subséquente de démarrage du compresseur 20 (1), une étape d'ouverture progressive ou instantanée de la vanne (8), cette ouverture étant telle que la section de la vanne (8) est maximale dès lors que la pression observée en entrée du compresseur (1) est inférieure à une pression dite plancher (PPR).5