Brevet FR2949388A1 — publié le 20110304

DISPOSITIF DE CLIMATISATION ET DE CHAUFFAGE DE L'HABITACLE D'UN VEHICULE [0001 La présente invention concerne un dispositif de chauffage et de climatisation d'un véhicule automobile muni d'un moteur. Ce dispositif permet d'assurer une fonction de chauffage de l'habitacle du véhicule et/ou une fonction de refroidissement, laquelle peut être une fonction d'air conditionné c'est-à-dire le refroidissement de l'air de l'habitacle et/ou le désembuage des vitres du véhicule. [0002] Le chauffage de l'habitacle des véhicules automobiles est généralement effectué à l'aide d'un échangeur thermique, appelé aérotherme, situé dans l'habitacle du véhicule. Dans l'aérotherme, de la chaleur est prélevée au fluide de refroidissement du moteur pour la transférer à l'air de l'habitacle. Cet air est la plupart du temps de l'air frais prélevé à l'extérieur du véhicule. Le circuit de climatisation comporte lui aussi un échangeur thermique, appelé évaporateur, dans lequel l'air de l'habitacle est refroidi à l'aide d'un fluide frigorigène qui circule dans le circuit de climatisation. Cet évaporateur de climatisation est situé dans l'habitacle, derrière le tablier. [0003] Cette architecture à deux échangeurs présente des inconvénients. Tout d'abord, les deux échangeurs sont relativement encombrants et occupent un espace qui pourrait être mieux utilisé, par exemple par un coffre de rangement. De plus, la présence de l'évaporateur dans l'habitacle présente éventuellement un danger en cas de fuite du fluide frigorigène, ce fluide pouvant être inflammable et/ou toxique. [0004] La présente invention concerne un dispositif de chauffage et de climatisation qui ne présente pas les inconvénients de l'architecture classique. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de climatisation et de chauffage de l'habitacle d'un véhicule muni d'un moteur comprenant un circuit de refroidissement du moteur, dans lequel peut circuler un liquide de refroidissement, ledit dispositif comprenant un circuit de chauffage de l'habitacle dans lequel peut circuler ledit liquide de refroidissement du moteur et un circuit de climatisation, muni d'un détendeur, dans lequel peut circuler un fluide frigorigène. Selon l'invention, lesdits circuits de climatisation et de chauffage comportent en commun un échangeur thermique air/liquide de refroidissement dans lequel peut circuler ledit liquide de refroidissement lequel peut être : chaud en provenance du moteur ce qui permet de chauffer l'habitacle, ou froid, refroidi à l'aide dudit fluide frigorigène, ce qui permet d'assurer au moins une fonction de refroidissement. [000s] Ladite fonction de refroidissement peut être une fonction d'air conditionné et/ou le refroidissement d'au moins l'un des éléments suivants : l'air de suralimentation du moteur, les gaz EGR, un ou plusieurs des composants d'une chaine de traction hybride ou électrique et/ou d'un moteur thermique ou l'huile de lubrification d'un organe du moteur thermique (par exemple le moteur lui-même ou la boite de vitesses). [000s] Ledit échangeur thermique est avantageusement situé dans l'habitacle du véhicule. [0007] Le dispositif comporte un échangeur thermique intermédiaire liquide de refroidissement/fluide frigorigène, d'une part connecté audit détendeur et, d'autre part, connecté en parallèle audit échangeur air/liquide de refroidissement. Cet échangeur thermique intermédiaire est de préférence situé dans le compartiment moteur du véhicule. [0008] Une pompe permet la circulation du liquide de refroidissement dans ledit échangeur intermédiaire. [0009] De préférence, le dispositif comporte des moyens permettant de réguler le débit de liquide de refroidissement traversant ledit échangeur thermique air/liquide de refroidissement, ces moyens pouvant comprendre une vanne, qui peut être thermostatique ou électrique. Lesdits moyens peuvent être placés dans ledit circuit de chauffage. [0010] Selon un mode de réalisation, ledit circuit de climatisation comporte, connectés en série et dans le sens de circulation du fluide frigorigène, un compresseur, un condenseur, un réservoir du fluide frigorigène, ledit détendeur et ledit échangeur intermédiaire. [0011] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre 30 d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un circuit de chauffage et de climatisation conforme à l'art antérieur, et - la figure 2 représente schématiquement le mode de réalisation préféré d'un dispositif conforme à la présente invention. [0012] Selon l'art antérieur, le confort thermique de l'habitacle est obtenu grâce à un évaporateur (qui est un échangeur thermique air extérieur/fluide frigorigène) pour absorber la chaleur de l'habitacle et un aérotherme (qui est un échangeur air extérieur/liquide de refroidissement du moteur) pour le chauffage. Sur la figure 1 qui représente l'art antérieur, un moteur thermique 10 comporte un boitier de sortie d'eau 12, une pompe à eau 14 et un circuit de refroidissement 16 du moteur. Ce circuit de refroidissement comporte un radiateur 18, généralement placé en façade avant du véhicule, connecté par une canalisation 20 au boitier de sortie d'eau 12 et par une canalisation 22 à la pompe à eau 14. Un fluide de refroidissement (généralement un mélange d'eau et de glycol) circule dans le circuit 16, du boitier 12 vers le radiateur 18 et vers la pompe 14. Le liquide de refroidissement est choisi pour ses propriétés notamment d'antigel, de viscosité, de conductivité thermique et de chaleur massique. Une vanne thermostatique 24 située en sortie du boitier 12 permet de réguler le débit dans le circuit de refroidissement 16. Cette vanne est pratiquement fermée lorsque le moteur est froid, le fluide de refroidissement court-circuitant le moteur comme indiqué parla flèche 26. [0013] Afin de chauffer l'habitacle, le véhicule comporte un aérotherme 28 dont l'entrée est connectée au boitier de sortie d'eau 12 par une canalisation 30 et à la pompe 14 par une canalisation 32. L'aérotherme est situé dans l'habitacle, généralement sous le tablier représenté schématiquement par les traits 31, le tablier désignant la paroi séparant l'habitacle du compartiment moteur. L'aérotherme 28 est en fait un échangeur thermique air extérieur/liquide de refroidissement, cet échangeur étant traversé par le liquide de refroidissement du moteur, ce liquide réchauffant l'air extérieur qui est pulsé dans l'habitacle. [0014] Le véhicule comporte aussi un circuit de climatisation 34 composé principalement d'un compresseur 36, d'un condenseur 38, d'un réservoir 40 (souvent appelé � bouteille �), d'un détendeur 42 et d'un évaporateur 44. Un fluide frigorigène circule dans ce circuit 34, les différents éléments du circuit étant reliés entre eux par des canalisations. L'évaporateur 44 est en fait un échangeur thermique air extérieur/fluide frigorigène, l'air extérieur pulsé de l'extérieur du véhicule étant refroidi par le fluide frigorigène circulant dans l'échangeur 44. [0015] Les inconvénients principaux de cette architecture représentée sur la figure 1 sont, d'une part, l'encombrement de deux échangeurs (l'aérotherme 28 et l'évaporateur 44) dans l'habitacle et, d'autre part, la présence de l'évaporateur 44 dans l'habitacle. [0016] La présente invention propose un dispositif qui ne présente pas ces inconvénients et dont le mode de réalisation préféré est représenté sur la figure 2. Sur cette figure, les éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes numéros de références. Ainsi le moteur thermique 10 comporte un boitier de sortie d'eau 12, une pompe à eau 14 et un circuit de refroidissement 16 du moteur avec un radiateur 18, des canalisations 20 et 22 et une vanne thermostatique 24. Le véhicule est aussi muni d'un compresseur 36, d'un condenseur 38, d'un réservoir 40 et d'un détendeur 42. [0017] Selon l'invention, le dispositif de chauffage et de climatisation comporte un échangeur thermique 50 air/liquide de refroidissement (l'air étant de préférence l'air extérieur), cet échangeur étant unique dans l'habitacle et commun au circuit de chauffage de l'habitacle et au circuit de climatisation. L'échangeur 50 remplace donc l'aérotherme 28 et l'évaporateur 44 de l'art antérieur. [0018] Le dispositif comporte également un échangeur intermédiaire 52 liquide de refroidissement/fluide frigorigène, situé de préférence dans le compartiment moteur du véhicule. Une pompe 54 assure la circulation du liquide de refroidissement. [0019] Le liquide de refroidissement peut sortir du boitier d'eau 12 par la canalisation 20 pour, lorsque la vanne 24 est ouverte, passer dans le radiateur 18, et sortir du radiateur 18 pour aller à la pompe à eau 14. Le liquide de refroidissement peut sortir du boitier d'eau 12 et rejoindre la pompe 14 par la canalisation 26 lorsque la vanne 24 est fermée. Le liquide de refroidissement peut également sortir du boitier 12 par la sortie 56 pour se diriger vers l'échangeur 50 en passant par une canalisation 58, une vanne 60 et des canalisations 62 et 64. Le fluide de refroidissement sort de l'échangeur 50 par une canalisation 66 pour retourner à la pompe à eau 14 par une canalisation 68 et à l'entrée 70 de l'échangeur intermédiaire 52 par une canalisation 72. Le liquide de refroidissement du moteur sort de l'échangeur intermédiaire 52 par une canalisation 74 vers la pompe 54 (de préférence une pompe électrique) et rejoindre la canalisation 62. [0020] En sortant du compresseur 36, le fluide frigorigène est dirigé vers le condenseur 38 par une canalisation 76. A la sortie du condenseur 38, le fluide frigorigène traverse le réservoir 40 et une canalisation 78 pour pénétrer dans le détendeur 42. Ce dernier est relié à l'échangeur intermédiaire 52 par deux canalisations 80 et 82, le fluide frigorigène pénétrant dans l'échangeur intermédiaire 52 par la canalisation 80 et en sortant par la canalisation 82. Le fluide frigorigène retourne au compresseur 36, en sortant du détendeur 42, par une canalisation 84. [0021] Le compresseur 36, qui peut être entrainé électriquement ou mécaniquement par le moteur 10, aspire le fluide frigorigène à l'état gazeux, à basses pression et température à la sortie du détendeur 42 et le refoule vers le condenseur 38 à l'état gazeux à hautes température et pression. [0022] Dans le condenseur 38, le fluide frigorigène passe de l'état gazeux à l'état liquide en cédant sa chaleur à l'air extérieur. Le refroidissement du condenseur est assuré par effet dynamique lorsque le véhicule roule et/ou grâce à un ou plusieurs ventilateur(s) lorsqu'il est à l'arrêt. [0023] Le réservoir 40, qui est la � bouteille � de stockage du fluide frigorigène et qui peut être intégrée ou séparée du condenseur, comprend un volume de réserve de fluide frigorigène et peut comprendre également un filtre déshydratant pour retenir des impuretés et de l'humidité. [0024] Le liquide de refroidissement traversant l'échangeur 50 peut être chaud lorsqu'il provient de la boite de sortie d'eau 12, l'habitacle pouvant alors être chauffé, ou froid lorsqu'il provient de l'échangeur intermédiaire 52, le dispositif fonctionnant alors en air conditionné. [0025] L'échangeur intermédiaire 52 fluide frigorigène/liquide de refroidissement prélève des frigories au fluide frigorigène, mettant ainsi à disposition de l'eau froide. 30 Dans la configuration ici décrite et représentée sur la figure 2, cette eau froide est mise à disposition de la climatisation : l'évaporateur 44 et l'aérotherme 28 de la figure 1 (art antérieur) sont remplacés dans la figure 2 par un seul échangeur 50 air extérieur / liquide de refroidissement qui, selon les cas, est chaud (fonction d'aérotherme pour chauffer l'habitacle) ou froid (fonction air climatisé pour refroidir l'habitacle). Un circuit de liquide de refroidissement à basse température est donc mis en oeuvre afin de transporter, grâce à une pompe à eau additionnelle 54, l'eau froide jusqu'à l'échangeur 50. [0026] Un dispositif de pilotage, agissant entre autres sur la vanne 60 et sur la pompe additionnelle 54, permet en fonction d'informations, telles que la température du liquide de refroidissement, le besoin de confort thermique dans l'habitacle et/ou la température de l'air extérieur, d'ajuster le débit de liquide de refroidissement dans l'échangeur 50 afin, soit de chauffer totalement l'habitacle (échangeur 50 connecté à 100% au liquide de refroidissement chaud, vanne 60 complètement ouverte et pompe électrique 54 à l'arrêt), soit de refroidir totalement l'habitacle (échangeur 50 connecté à 100% au liquide de refroidissement refroidi dans l'échangeur intermédiaire 52, vanne 60 fermée et pompe 54 en marche), soit d'offrir à l'habitacle une température mitigée en mélangeant l'eau chaude en sortie moteur et l'eau froide en sortie de l'échangeur intermédiaire (à la jonction des canalisations 74, 62 et 58). La température du mélange d'eau chaude et froide peut être ajustée précisément en agissant sur le degré d'ouverture ou de fermeture de la vanne 60 et/ou sur le débit de la pompe 54. [0027] Le circuit de chauffage de l'habitacle comporte donc le boitier 12 de sortie du moteur du liquide de refroidissement moteur, la vanne 60, les canalisations 58, 62, 64, 66 et 68 et l'échangeur 50. [0028] Le circuit de climatisation comporte des première et deuxième boucles. La première boucle, dans laquelle circule le fluide frigorigène, est composée du compresseur 36, de la canalisation 76, du condenseur 38, de la bouteille 40, de la canalisation 78, du détendeur 42, des canalisations 80 et 82, de l'échangeur intermédiaire 52, et de la canalisation 84. La deuxième boucle, dans laquelle circule le liquide de refroidissement du moteur, est composée de l'échangeur intermédiaire 52, de la canalisation 74, de la pompe 54, des canalisations 62 et 64, de l'échangeur 50 et des canalisations 66 et 72. [0029] Dans un autre mode de réalisation, l'eau froide disponible en sortie de l'échangeur intermédiaire 52, dans la canalisation 74, peut être mise à profit pour satisfaire d'autres besoins de refroidissement d'autres éléments du véhicule, par exemples :l'air de suralimentation du moteur (par la mise en oeuvre d'un échangeur air de suralimentation/liquide de refroidissement du moteur) ; les gaz EGR (recirculation des gaz d'échappement); des composants d'une chaîne de traction hybride lorsque le véhicule est du type hybride (électronique de puissance, calculateurs, machine électrique, batterie, ...), ou d'une chaîne de traction électrique lorsque le véhicule est du type électrique (moteur électrique, batterie, ...) ; les huiles de direction assistée et/ou de lubrification du moteur et/ou de la boîte de vitesses automatique ; des composants du moteur tels que le turbocompresseur, les injecteurs de carburant ou d'additif de dépollution. [0030] On remarque qu'un seul échangeur (l'échangeur 50) est localisé dans l'habitacle et que cet échangeur n'est pas traversé par le fluide frigorigène mais par le liquide de refroidissement du moteur, supprimant ainsi toute possibilité de fuite du fluide frigorigène dans l'habitacle. D'autres avantages de l'invention sont notamment : - une meilleure intégration du groupe de climatisation dans l'habitacle, par remplacement par un seul échangeur des deux échangeurs classiques (aérotherme et évaporateur) et leurs conduits d'air et d'une partie des volets de mixage, libérant ainsi du volume habitacle pour améliorer l'habitabilité du véhicule ou des espaces de rangement supplémentaires - un gain en confort acoustique, l'utilisation d'un seul échangeur et la suppression de volets de mixage permettant une réduction significative du bruit dans l'habitacle qui peut atteindre par exemple 3dB(A) ; - un impact positif sur l'environnement : la compacité du nouveau circuit réfrigérant permet de réduire sensiblement le volume utilisé de fluide frigorigène, réduisant d'autant le niveau de fuites directes de fluide frigorigène dans l'atmosphère - un gain en prestations : la compacité du nouveau circuit de climatisation permet également une optimisation de la perméabilité du circuit : la réduction des pertes de charges du circuit du fluide frigorigène autorise une réduction de la consommation de carburant à prestations égales ou une amélioration du confort thermique de l'habitacle (pour une même consommation de carburant) - une diminution des coûts : en effet, le condenseur, le détendeur et l'échangeur intermédiaire peuvent avantageusement être incorporés dans un même module et constituer ainsi une architecture modulaire; ce module peut de plus être assemblé et pré-chargé en fluide frigorigène chez le fabricant, réduisant ainsi le temps de montage et le coût des installations dans les usines de montage du véhicule. Ce module permet également de faciliter les interventions d'échange en cas d'accident, de fuite ou de toute défaillance du dispositif. - gain sur les tuyaux de climatisation : la réduction du volume du module de réfrigération permet de gagner de la longueur des tuyaux de climatisation (la réduction de longueur estimée pouvant atteindre 70%); - gain sur le groupe de climatisation : suppression d'un échangeur et de volets de mixage. Ces économies permettent de contrebalancer les surcoûts générés par l'échangeur intermédiaire 52, la pompe additionnelle 54 et la vanne 60 de mixage des eaux froide et chaude. [0031] Dans un autre mode de réalisation, la présente invention offre de plus les avantages suivants : - gain de puissance moteur par refroidissement accru de l'air de suralimentation (ou à puissance égale du moteur, diminution de la cylindrée du moteur et de ses composants d'adaptation) - gain supplémentaire en consommation de carburant et en dépollution (NOx) - amélioration de l'implantation, dans le compartiment moteur, des composants du circuit de climatisation ; par le chauffage possible de l'air d'admission, gain en consommation de carburant, réduction des émissions polluantes, amélioration du chauffage de l'habitacle et diminution (ou même suppression) des risques d'échec de la régénération du filtre à particules. [0032] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, la régulation de la température du fluide de refroidissement arrivant à l'échangeur 50 pourrait être effectuée par d'autres moyens que la vanne 60 et la pompe 54 : on pourrait imaginer un système de vannes thermo-pilotées à l'aide d'un calculateur (par exemple le calculateur moteur), l'une des vannes étant la vanne 60 et une autre vanne placée à la sortie de l'échangeur intermédiaire 52 , dans la canalisation 74, ou à la sortie de la pompe 54. REVENDICATIONS1. Dispositif de climatisation et de chauffage de l'habitacle d'un véhicule muni d'un moteur (10) comprenant un circuit de refroidissement du moteur (16), dans lequel peut circuler un liquide de refroidissement, ledit dispositif comprenant un circuit de chauffage de l'habitacle dans lequel peut circuler ledit liquide de refroidissement du moteur et un circuit de climatisation, muni d'un détendeur (42), dans lequel peut circuler un fluide frigorigène, ledit dispositif étant caractérisé en ce que lesdits circuits de climatisation et de chauffage comportent en commun un échangeur thermique (50) air/liquide de refroidissement dans lequel peut circuler ledit liquide de refroidissement lequel peut être : chaud en provenance du moteur ce qui permet de chauffer l'habitacle, ou froid, refroidi à l'aide dudit fluide frigorigène, ce qui permet d'assurer au moins une fonction de refroidissement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit échangeur thermique (50) est situé dans l'habitacle du véhicule. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur thermique intermédiaire (52) liquide de refroidissement/fluide frigorigène, d'une part connecté audit détendeur (42) et, d'autre part, connecté en parallèle audit échangeur (50) air/liquide de refroidissement. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit échangeur thermique intermédiaire (52) est situé dans le compartiment moteur du véhicule. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe (54) permettant la circulation du liquide de refroidissement dans ledit échangeur intermédiaire (52). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (60) placés dans ledit circuit de chauffage permettant deréguler le débit de liquide de refroidissement traversant ledit échangeur thermique (50) air/liquide de refroidissement. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent une vanne (60). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite vanne est une vanne thermostatique. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite vanne est une 10 vanne électrique. 10. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit de climatisation comporte, connectés en série et dans le sens de circulation du fluide frigorigène, un compresseur (36), un condenseur (38), un réservoir (40) 15 dudit fluide frigorigène, ledit détendeur (42) et ledit échangeur intermédiaire (52). 20 25