Brevet FR2936596A1 — publié le 20100402

Ejecteur pour une boucle de cliratisation. Domaine technique de l'invention. La présente invention est du domaine des installations de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation d'un véhicule automobile. Elle a pour objet un éjecteur constitutif d'une boucle de climatisation participante d'une telle installation. Elle a aussi pour objet une boucle de climatisation comprenant un tel éjecteur. Etat de la technique. Un véhicule automobile est couramment équipé d'une installation de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation pour modifier les paramètres aérothermiques de l'air contenu à l'intérieur de l'habitacle du véhicule. Une telle installation comprend une boucle de climatisation à l'intérieur de laquelle circule un fluide réfrigérant, tel qu'un fluide supercritique, R744 ou dioxyde de carbone notamment. Plus particulièrement, la boucle de climatisation comprend un compresseur, un refroidisseur de gaz, le cas échéant un échangeur de chaleur interne, un éjecteur, un séparateur liquide-gaz et un évaporateur. Le fluide réfrigérant circule successivement depuis le compresseur vers le refroidisseur de gaz, puis vers l'échangeur de chaleur interne, puis vers l'éjecteur par l'intermédiaire d'une première entrée que ce dernier comporte. Le fluide réfrigérant circule ensuite depuis l'éjecteur vers le séparateur liquide-gaz. Ce dernier comporte une première sortie à travers laquelle le fluide réfrigérant à l'état gazeux circule pour retourner au compresseur, et une deuxième sortie à travers laquelle le fluide réfrigérant à l'état liquide circule pour rejoindre en premier lieu l'évaporateur, puis l'éjecteur par l'intermédiaire d'une deuxième entrée que ce dernier comporte. L'éjecteur comprend une chambre de réception du fluide réfrigérant qui est pourvue de la deuxième entrée pour l'admission du fluide réfrigérant en provenance de l'évaporateur. La chambre de réception loge une buse de réception du fluide réfrigérant qui est munie de la première entrée pour l'admission du fluide réfrigérant en provenance du refroidisseur de gaz. La chambre de réception et la buse de réception sont conjointement en communication avec une chambre de pressurisation du fluide réfrigérant disposée en aval des dites chambre de réception et buse de réception selon le sens d'écoulement du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur. La chambre de pressurisation est constituée d'une chambre de mixage du fluide réfrigérant et d'une chambre de diffusion du fluide réfrigérant, cette dernière succédant à ladite chambre de mixage selon le sens d'écoulement du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur. La buse de réception comprend un col formant une restriction de passage du fluide réfrigérant en provenance du refroidisseur de gaz. En amont du col selon le sens d'écoulement du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur, la buse de réception comporte une partie amont convergente tandis qu'en aval du col selon le sens d'écoulement du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur, la buse de réception comporte une partie aval divergente. Selon une direction générale d'extension de l'éjecteur, la partie amont convergente et la partie aval divergente sont d'une longueur respective A et B pour lesquelles la longueur B est supérieure à la longueur A. Pour connaître un environnement: technologique proche de la présente invention, on pourra par exemple se reporter au document EP 1,160,522 (DENSO Corporation) qui décrit un éjecteur du type susvisé. Le fluide réfrigérant subit à l'intérieur de la boucle de climatisation un cycle thermodynamique couramment décrit dans un diagramme de Mollier. Il est connu de déduire de ce diagramme un coefficient de performance de ladite boucle, désigné par l'acronyme anglais � COP � et défini comme étant le rapport entre une puissance utile récupérée par l'évaporateur et une énergie consommée par le compresseur pour comprimer le fluide réfrigérant. Il est constamment recherché que le coefficient de performance � COP � soit le plus élevé possible, par exemple de l'ordre de 2 à 4, pour procurer à un utilisateur du véhicule un confort thermique optimisé, pour une énergie consommée minimale. Un premier problème posé par l'utilisation d'un éjecteur selon l'art antérieur réside dans le fait que la boucle de climatisation qui le comporte présente un coefficient de performance � COP � qui mérite d'être amélioré sur une plus grande plage de fonctionnement. Un deuxième problème posé par l'utilisation d'un éjecteur selon l'art antérieur réside dans le fait que sa forme est peu adaptée à une boucle de climatisation à l'intérieur de laquelle circule un fluide réfrigérant supercritique, tel que le R744, notamment en raison du fait que le rapport entre la densité du fluide réfrigérant à l'état gazeux et la densité du fluide réfrigérant à l'état liquide est de l'ordre de 10, alors qu'il est de l'ordre de 1000 pour les autres fluides réfrigérants couramment utilisés. Par ailleurs, le coefficient de performance chute sensiblement à forte température ambiante ce qui implique une amélioration nécessaire de l'éjecteur pour une utilisation de la boucle de climatisation dans les conditions les plus sévères. Un troisième problème posé par l'utilisation d'un éjecteur selon l'art antérieur réside dans le fait que l'énergie de détente que le fluide réfrigérant récupère lorsque ce dernier passe d'un état à haute pression en amont de l'éjecteur à un état basse pression en aval de l'éjecteur mérite d'être accrue. Un quatrième problème posé par l'utilisation d'un éjecteur selon l'art antérieur réside dans le fait que l'éjecteur n'est pas adapté à la fourniture d'une puissance frigorifique de l'ordre de 1,5 kW à 6 kW.25 Objet de l'invention. Le but de la présente invention est de proposer un éjecteur destiné à être installé sur une boucle de climatisation à l'intérieur de laquelle circule un fluide réfrigérant, tel qu'un fluide supercritique, l'éjecteur étant agencé de manière à permettre l'obtention d'un coefficient de performance � COP � de la boucle de climatisation qui soit le plus élevé possible, notamment accru de 5% à 20% par rapport à une boucle de climatisation selon l'art antérieur, l'éjecteur étant aussi agencé pour un fluide réfrigérant dont un rapport de densité à 0°C entre une densité du fluide réfrigérant à l'état gazeux et une densité du fluide réfrigérant à l'état liquide est inférieur à 50, l'éjecteur permettant une réduction de la taille d'un compresseur et/ou d'un évaporateur participants de la dite boucle pour un confort thermique amélioré et/ou une consommation électrique réduite. Un autre but de la présente invention est de proposer une boucle de climatisation permettant l'intégration d'un tel éjecteur et étant adaptée pour offrir un coefficient de performance � COP � le plus élevé possible. L'éjecteur de la présente invention est un éjecteur destiné à équiper une boucle de climatisation d'une installation de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation d'un véhicule automobile. Ledit éjecteur comprend une buse de réception d'un fluide réfrigérant comportant une partie convergente d'une longueur de convergence A et une partie divergente d'une longueur de divergence B prises selon une direction générale d'extension A dudit éjecteur. La partie divergente est placée en aval de la partie convergente selon un sens de transit du fluide réfrigérant à l'intérieur dudit éjecteur. Selon la présente invention, la longueur de convergence A est supérieure à la longueur de divergence B. Un rapport de longueur A / B des dites longueurs A et B est préférentiellement supérieur à 2. 430 La dite buse comporte avantageusement un col d'un diamètre Dt et un orifice de sortie d'un diamètre Do pour lesquels un premier rapport de diamètre Do / Dt vérifie la relation : 1 Le diamètre Dt du col vérifie préférentiellement la relation : 0,6 mm La boucle de climatisation comprend de préférence une première vanne de 30 contrôle interposée entre ledit éjecteur et un refroidisseur de gaz que comporte la dite boucle. Ladite boucle comprend également de préférence une deuxième vanne de contrôle interposée entre un séparateur liquide-gaz et un premier évaporateur que comporte ladite boucle. Ladite boucle comprend avantageusement un deuxième évaporateur interposé entre l'éjecteur et le séparateur liquide-gaz. Description des figures. La présente invention sera mieux comprise, et des détails en relevant apparaîtront, à la lecture de la description qui va être faite d'une forme préférée de réalisation en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles : Les fig.1 et fig.2 sont des illustrations schématiques de variantes respectives de réalisation d'une boucle de climatisation selon la présente invention. La fig.3 est une illustration schématique d'un éjecteur selon la présente invention qui est constitutif de la boucle de climatisation illustrée sur la figure précédente. Sur les fig.1 et fig.2, une installation de ventilai:ion, de chauffage et/ou de climatisation comprend une boucle de climatisation 1 pour refroidir un flux d'air 2 préalablement à sa délivrance à l'intérieur de l'habitacle du véhicule. La boucle de climatisation 1 comprend un compresseur 3, un refroidisseur de gaz 4, un éjecteur 5, un séparateur liquide-gaz 6 et au moins un évaporateur 7,7' à l'intérieur desquels circule un fluide réfrigérant, tel qu'un fluide supercritique, R744 ou dioxyde de carbone notamment. Sur la fig.1, le fluide réfrigérant circule successivement depuis le compresseur 3 vers le refroidisseur de gaz 4, puis vers une première entrée 8 de l'éjecteur 5. Le fluide réfrigérant circule ensuite depuis l'éjecteur 5 Mers le séparateur liquide-gaz 6. Ce dernier 6 comporte une première sortie 9 à travers laquelle le fluide réfrigérant à l'état gazeux circule pour retourner au compresseur 3, et une deuxième sortie 10 à travers laquelle le fluide réfrigérant à l'état liquide circule pour rejoindre un premier évaporateur 7, puis une deuxième entrée 11 de l'éjecteur 5. II en ressort que le premier évaporateur 7 est disposé sur une dérivation 12 que comporte la boucle de climatisation 1, cette dérivation 12 étant ménagée entre la deuxième sortie 10 dudit séparateur 6 et la deuxième entrée 11 de l'éjecteur 5. Sur la fig.2, outre les éléments susvisés, la boucle de climatisation 1 comporte un deuxième évaporateur 7' qui est interposé entre l'éjecteur 5 et le séparateur liquide-gaz 6. Le compresseur 3 est destiné à recevoir le fluide réfrigérant à l'état gazeux et à le comprimer pour le porter à haute pression. Le refroidisseur de gaz 4 est apte à refroidir le fluide réfrigérant comprimé, à pression relativement constante, en cédant de la chaleur à son environnement. L'éjecteur 5 est à même d'abaisser la pression du fluide réfrigérant en sortie du refroidisseur de gaz 4 en l'amenant au moins en partie à l'état liquide. Le séparateur liquide-gaz 6 est destiné à recueillir d'une part un reliquat de fluide réfrigérant à l'état liquide en sortie de l'éjecteur 5 ou du deuxième évaporateur 7' pour le renvoyer au premier évaporateur 7 et d'autre part une fraction de fluide réfrigérant à l'éta gazeux pour la retourner au compresseur 3. Le premier évaporateur 7 est quant: à lui propre à faire passer à l'état gazeux le fluide réfrigérant à l'état liquide provenant dudit séparateur 6, à pression relativement constante, en prélevant de la chaleur au flux d'air 2 qui traverse l'évaporateur 7. Le deuxième évaporateur 7' qui est également traversé par le flux d'air 2 est prévu pour assurer un refroidissement de ce dernier 2 lorsque le débit de fluide réfrigérant circulant à l'intérieur de la dérivation 12 est réduit. II en résulte que lorsque l'éjecteur 5 assure préférentiellement une fonction de détendeur le flux d'air 2 est refroidi par l'intermédiaire du deuxième évaporateur 7', tandis que lorsque l'éjecteur 2 assure préférentiellement une fonction d'aspiration du fluide réfrigérant en provenance de la dérivation 12 le flux d'air 2 est refroidi par l'intermédiaire du premier évaporateur 7. Pour contrôler la pression de fluide réfrigérant respectivement en sortie du refroidisseur de gaz 4 et en première entrée 8 de l'éjecteur 5, en vue d'obtenir un coefficient de performance � COP � de la boucle de climatisation 1 qui soit le plus élevé possible, la présente invention propose d'interposer une première vanne de contrôle 13 entre le refroidisseur de gaz 4 et la première entrée 8 de l'éjecteur 5, selon un sens d'écoulement 14 du fluide réfrigérant à l'intérieur de la boucle de climatisation 1. Selon le degré d'ouverture de la dite première vanne 13, cette dernière 13 permet soit de minimiser une énergie consommée par le compresseur 3 pour comprimer le fluide réfrigérant, soit de maximaliser une puissance utile récupérée par le premier évaporateur 7 et/ou le deuxième évaporateur 7', pour finalement obtenir un coefficient de performance � COP � optimisé. Pour contrôler une chute de pression du fluide réfrigérant sur la dérivation 12 de la boucle de climatisation 1, ladite dérivation 12 comprend une deuxième vanne de contrôle 15 qui est interposée entre la deuxième sortie 10 du séparateur 6 et le premier évaporateur 7, selon un sens de circulation 16 du fluide réfrigérant à l'intérieur de ladite dérivation 12. Selon une forme de réalisation de ladite deuxième vanne 15, cette dernière 15 présente un calibre fixe adapté pour l'obtention d'un meilleur compromis entre un débit de fluide réfrigérant circulant à l'intérieur du prem er évaporateur 7 qui soit optimisé et une pression de fluide réfrigérant à l'intérieur du premier évaporateur 7 qui soit la plus adaptée aux conditions de fonct onnement de la boucle de climatisation 1. Sur la fig.3, la présente invention propose un éjecteur 5 spécifiquement adapté pour un fluide réfrigérant supercritique, R744 notamment, qui présente une caractéristique physique distinctive d'autres fluides réfrigérants couramment utilisés, à savoir un rapport de densité à 0°C entre une densité à l'état gazeux et une densité à l'état liquide qui est inférieur à 50. La prise en compte de cette caractéristique physique particulière du fluide réfrigérant R744 a conduit les concepteurs de la présente invention à dimensionner précisément ledit éjecteur 5, en vue notamment d'obtenir un coefficient de performance � COP � le plus élevé possible. Les dimensionnements qui vont être énoncés relèvent notamment de cette caractéristique physique, et en tout cas de l'utilisation du fluide réfrigérant R744 à l'intérieur de la boucle de climatisation 1. Dans sa généralité ledit éjecteur 5 comporte une buse de réception 17 du fluide réfrigérant en provenance de ladite première vanne 13. La buse de réception 17 comporte une partie convergente 18 et une partie divergente 19, qui sont séparées l'une de l'autre par un col 20 formant une restriction de passage du fluide réfrigérant en provenance de ladite première vanne 13. De préférence, la partie convergente 18 est située en amont de la partie divergente 19 selon un sens de transit 21 du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur 5. Dans ce cas, la partie amont convergente 18 présente une section de passage qui diminue au fur et à mesure d'un rapprochement dudit col 20 selon le sens de transit 21 du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur 5 tandis que la partie aval divergente 19 présente une section de passage qui augmente au fur et à mesure d'un éloignement dudit col 20 selon le sens de transit 21 du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur 5. La partie amont convergente 18 est d'une longueur de convergence A tandis que la partie aval divergente 19 est d'une longueur de divergence B. Ces longueurs A et B sont mesurées selon une direction générale d'extension A dudit éjecteur 5, cette direction générale A étant par exemple confondue avec un axe de symétrie dudit éjecteur 5. Plus particulièrement, la longueur de convergence A est mesurée entre un orifice d'admission 27 de fluide réfrigérant à l'intérieur de la partie amont convergente 18 et le col 20. De même, la longueur de divergence B est mesurée entre un orifice de sortie 22 du fluice réfrigérant hors de la partie aval divergente 19 et le col 20. Pour prendre en compte la caractéristique particulière susvisée, il est proposé par la présente invention que la longueur de convergence A soit supérieure à la longueur de divergence B. Selon une variante de réalisation de la présente invention, un rapport de longueur A / B des dites longueurs A et B est par exemple supérieur à 2. Il en découle une optimisation de la récupération d'une énergie de détente irréversible du fluide réfrigérant à l'intérieur dudit éjecteur 5, de telle sorte que ladite détente soit une détente la plus isentropique possible. De même, il est prcposé qu'un diamètre Dt du col et un diamètre Do de l'orifice de sortie 22 de ladite buse 17 vérifient la relation : 1 Il est aussi plus particulièrement proposé que le diamètre Dt du col 20 soit 10 compris entre 0.6 mm et 0.9 mm. L'éjecteur 5 comporte une chambre de mixage 23 du fluide réfrigérant en provenance de la première vanne 13 et du fluide réfrigérant en provenance de l'évaporateur 7. A cette fin, la dite chambre de mixage 23 est ménagée en aval 15 d'une chambre de réception 24 du fluide réfrigérant en provenance de l'évaporateur 7 selon le sens de transit 21 du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur 5. Ladite chambre de réception 24 loge la buse de réception 17 du fluide réfrigérant en provenance de ladite première vanne 13. Ladite chambre de réception 24 est munie de la dite première entrée 8 de l'éjecteur 5. Selon le sens 20 de transit 21 du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur 5, la chambre de mixage 23 est ménagée à l'intérieur de l'éjecteur 5 en aval dudit orifice de sortie 22, en aval d'un orifice d'évacuation 25 du fluide réfrigérant hors de la chambre de réception 24 et en aval de ladite première entrée 8. La chambre de mixage 23 présente un diamètre Dm mesuré en entrée de cette dernière 23, qui vérifie la 25 relation : 1,5 11 fluide réfrigérant a l'intérieur de la chambre de mixage 23 et une bouche d'évacuation 29 du fluide réfrigérant hors de la chambre de mixage 23, qui vérifie la relation : 6 L'éjecteur 5 comporte une chambre de diffusion 26 qui est ménagée en aval de la chambre de mixage 23 selon le sens de transit 21 du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur 5. La chambre de diffusion 26 présente une longueur de diffusion Ld mesurée selon la direction générale d'extension et entre la bouche d'évacuation 29 du fluide réfrigérant hors de la chambre de mixage 23 et une ouverture d'évacuation 30 du fluide réfrigérant hors de l'éjecteur 5, qui vérifie la relation : 15 Revendications1.- Ejecteur (5) destiné à équiper une boucle de climatisation (1) d'une installation de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation d'un véhicule automobile, ledit éjecteur (5) comprenant une buse de réception (17) d'un fluide réfrigérant comportant une partie convergente (18) d'une longueur de convergence A et une partie divergente (19) d'une longueur de divergence B prises selon une direction générale d'extension A dudit éjecteur (5), la partie divergente (19) étant placée en aval de la partie convergente (18) selon un sens de transit (21) du fluide réfrigérant à l'intérieur dudit éjecteur (5), caractérisé en ce que la longueur de convergence A est supérieure à la longueur de divergence B. 2.- Ejecteur (5) Belon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un rapport de longueur A / B des dites longueurs A et B est supérieur à 2. 3.- Ejecteur (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la dite buse (17) comporte un col (20) d'un diamètre Dt et un orifice de sortie (22) d'un diamètre Do pour lesquels un premier rapport de diamètre Do / Dt vérifie la relation : 1 4.- Ejecteur (5) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diamètre Dt du col (20) vérifie la relation : 0,6 mm 5.- Ejecteur (5) selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'éjecteur (5) comporte une chambre de mixage (23) du fluide réfrigérant qui est ménagée en aval de l'orifice de sortie (22) selon un sens d'écoulement (21) du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur (5) et qui est d'un diamètre Dm, pour lequel un deuxième rapport de diamètre Dm / Do vérifie la relation : 12 1,5 6.- Ejecteur (5) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la chambre de mixage (23) est d'une longueur de mixage Lm prise selon la direction générale d'extension A dudit éjecteur (5), qui vérifie la relation : 6 7.- Ejecteur (5) selon l'une quelconque des revend cations 5 et 6, caractérisé en ce qu'une chambre de diffusion (26) est ménagée en aval de la chambre de mixage (23) selon le sens d'écoulement (21) du fluide réfrigérant à l'intérieur de l'éjecteur (5), la chambre de diffusion (26) étant d'une longueur de diffusion Ld prise selon la direction générale d'extension A dudit éjecteur (5), qui vérifie la relation : 15 8.- Boucle de climatisation (1) comprenant un éjecteur (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9.- Boucle de climatisation (1) selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite boucle (1) comprend une première vanne de contrôle (13) interposée entre ledit éjecteur (5) et un refroidisseur de gaz (4) que comporte la dite boucle (1). 10.- Boucle de climatisation (1) selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que ladite boucle (1) comprend une deuxième vanne de contrôle (15) interposée entre un séparateur liquide-gaz (6) et un premier évaporateur (7) que comporte ladite boucle (1). 11.- Boucle de climatisation (1) selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite boucle (1) comprend un deuxième évaporateur (7') interposé entre l'éjecteur (5) et le séparateur liquide-gaz (6).