Brevet FR3012584A1 — publié le 20150501

Circuit de conditionnement thermique, notamment pour véhicule automobile La présente invention concerne un circuit de conditionnement thermique, notamment pour véhicule automobile. Lors du fonctionnement d'un véhicule équipé d'un moteur thermique, des pertes thermiques importantes sont dissipées par l'intermédiaire des gaz d'échappement ou d'un circuit de refroidissement du moteur. Il existe donc un besoin de valoriser ces pertes thermiques, afin notamment de réduire les émissions de CO2. Il est par ailleurs connu d'équiper les véhicules automobiles d'un dispositif de climatisation permettant de refroidir de l'air destiné à entrer dans l'habitacle du véhicule, en vue d'améliorer le confort du conducteur et des passagers. Un tel dispositif de climatisation comporte classiquement un circuit de fluide réfrigérant comportant un condenseur, un évaporateur, un compresseur et un détendeur. Le froid est produit au niveau de l'évaporateur tandis que les calories sont évacuées à l'extérieur du véhicule, au niveau du condenseur. Le compresseur est en général entraîné par le moteur thermique (compresseur mécanique). Suivant les besoins, il peut être nécessaire de faire fonctionner un tel dispositif de climatisation quand le moteur est à l'arrêt. Pour cela, il est connu d'utiliser un circuit de conditionnement thermique du type précité, comportant en outre un compresseur entraîné par un moteur électrique (compresseur électrique). Dans ce cas, il est possible de faire fonctionner le dispositif de climatisation à l'aide du compresseur mécanique lorsque le moteur thermique est démarré, et à l'aide du compresseur électrique lorsque le moteur thermique est à l'arrêt. Outre sa complexité, un tel dispositif ne permet pas de valoriser une partie des pertes thermiques précitées. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose un circuit de conditionnement thermique, notamment pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un premier échangeur de chaleur formant un évaporateur, un deuxième échangeur de chaleur formant un condenseur, un troisième échangeur de chaleur formant un évaporateur, une pompe, un détendeur, un dispositif réversible apte à former un compresseur ou un détendeur, et des moyens aptes à faire circuler un fluide frigorigène dans le circuit selon l'un au moins des modes de fonctionnement suivants : - un premier mode de fonctionnement dans une première boucle traversant au moins successivement le deuxième échangeur de chaleur, le détendeur, le premier échangeur de chaleur et le dispositif réversible formant un compresseur, - un deuxième mode de fonctionnement dans une deuxième boucle traversant au moins successivement le deuxième échangeur de chaleur, la pompe, le troisième échangeur de chaleur et le dispositif réversible formant un détendeur avant de traverser à nouveau le deuxième échangeur de chaleur. Un dispositif réversible pouvant être utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention est par exemple connu du document US 7 347 673. Il est ainsi possible de placer le deuxième échangeur de chaleur (condenseur) en face avant d'un véhicule automobile, de façon à évacuer des calories vers l'extérieur. Par ailleurs, le premier échangeur de chaleur (évaporateur) permet par exemple de refroidir un flux d'air prélevé à l'extérieur du véhicule avant de le faire entrer dans l'habitacle du véhicule. La pompe est de préférence de type mécanique, c'est-à-dire entraînée par le moteur thermique lorsque celui-ci est démarré. A l'inverse, le dispositif réversible peut être couplé à un moto-réducteur apte à former un moteur électrique ou un générateur électrique. Enfin, le troisième échangeur de chaleur (évaporateur), également appelé bouilleur, peut permettre de récupérer des calories issues des pertes thermiques dues au fonctionnement du moteur, telles par exemple que des calories prélevées sur le flux de gaz d'échappement ou sur le circuit de refroidissement du moteur. Dans une telle configuration, le premier mode de fonctionnement permet de climatiser le véhicule lorsque le moteur est à l'arrêt. Le dispositif réversible agit alors comme un compresseur, entraîné par exemple par le moto-réducteur précité. Le second mode de fonctionnement permet de récupérer de l'énergie électrique grâce au dispositif réversible couplé par exemple à un moto-réducteur agissant en tant que générateur électrique. Le second mode de fonctionnement correspond à un cycle de Rankine. Avantageusement, le circuit de conditionnement thermique comporte des moyens permettant de réaliser un sous-refroidissement forcé du fluide frigorigène en amont de la pompe, tels par exemple qu'une bouteille. Un tel sous-refroidissement forcé est bénéfique pour l'efficacité de la climatisation et permet de garantir l'alimentation de la pompe en fluide frigorigène sous forme liquide, de façon à éviter toute dégradation de celle- ci. Selon une caractéristique de l'invention, le premier échangeur de chaleur et le troisième échangeur de chaleur forment de manière préférentielle et respectivement un évaporateur basse pression et haute pression. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens aptes à faire circuler un fluide frigorigène dans le circuit sont préférentiellement des vannes. Selon une caractéristique de l'invention, le circuit comporte une bouteille dessiccante, disposée en amont de la pompe et/ou en amont des moyens de sous-refroidissement. Ceci permet notamment d'absorber la variation de la masse circulante de fluide frigorigène en fonctionnement et de compenser d'éventuelles fuites du circuit. Selon une caractéristique de l'invention, le détendeur peut être notamment mais non exclusivement un orifice, un détendeur électronique ou un détendeur thermostatique. De préférence, le détendeur est un détendeur électronique. Un détendeur électronique permet de contrôler la différence de pression de fluide frigorigène entre le premier échangeur de chaleur et le deuxième 10 échangeur de chaleur. Selon une forme de réalisation de l'invention, le circuit comporte une première portion s'étendant entre l'entrée du premier échangeur de chaleur et le détendeur, une deuxième portion s'étendant entre le détendeur et une première extrémité du deuxième échangeur de chaleur formant une entrée 15 ou une sortie du deuxième échangeur de chaleur, une troisième portion s'étendant entre une seconde extrémité du deuxième échangeur de chaleur formant une sortie ou une entrée du deuxième échangeur de chaleur, d'une part, et un embranchement, d'autre part, une quatrième portion s'étendant entre l'embranchement et l'entrée de la pompe, une cinquième portion 20 s'étendant entre la sortie de la pompe et l'entrée du troisième échangeur de chaleur, une sixième portion s'étendant entre la sortie du troisième échangeur de chaleur et l'embranchement, une septième portion s'étendant entre l'embranchement et le dispositif réversible, une huitième portion s'étendant entre le dispositif réversible et la sortie du premier échangeur de 25 chaleur, une neuvième portion de dérivation du détendeur reliant la deuxième portion à la première portion, une dixième portion de dérivation du premier échangeur de chaleur, reliant la première portion à la huitième portion, et au moins une vanne et/ou au moins un clapet unidirectionnel situé au niveau de l'embranchement et/ou des portions précitées de 30 manière à permettre la circulation de fluide selon les modes de fonctionnement précités. Le circuit peut comporter une vanne située au niveau de l'embranchement, ladite vanne étant sélectivement apte à : - assurer la liaison uniquement entre la troisième portion et la septième portion, - assurer la liaison entre la troisième portion et la quatrième portion, d'une part, et la liaison entre la sixième portion et la septième portion, d'autre part. En outre, la neuvième portion peut comporter des moyens, tels par exemple qu'un premier clapet unidirectionnel, aptes à autoriser le passage de fluide frigorigène au travers de ladite neuvième portion lors du deuxième mode de fonctionnement et aptes à interdire le passage de fluide frigorigène au travers de ladite neuvième portion lors du premier mode de fonctionnement. De plus, la dixième portion peut comporter des moyens, tels par exemple qu'un deuxième clapet unidirectionnel, aptes à autoriser le passage de fluide frigorigène au travers de ladite dixième portion lors du deuxième mode de fonctionnement et aptes à interdire le passage de fluide frigorigène au travers de ladite dixième portion lors du premier mode de fonctionnement. Enfin, la huitième portion peut être équipée d'un accumulateur de fluide frigorigène, le circuit comportant une onzième portion de dérivation dudit accumulateur équipée de moyens, tels par exemple qu'un clapet unidirectionnel, autorisant le passage de fluide frigorigène au travers de ladite onzième portion lors du deuxième mode de fonctionnement et interdisant le passage de fluide frigorigène au travers de ladite onzième portion lors du premier mode de fonctionnement. La présence d'un accumulateur permet notamment d'absorber la variation de la masse circulante de fluide frigorigène en fonctionnement et de compenser d'éventuelles fuites du circuit. On notera que le nombre de vannes ou de clapets et leurs emplacements peuvent varier en fonction des modes de réalisation de l'invention, l'essentiel étant que ces vannes ou clapets permettent d'assurer les deux modes de fonctionnement décrits précédemment. Selon une caractéristique de l'invention, le premier échangeur est apte à échanger de la chaleur avec de l'air destiné à déboucher dans l'habitacle d'un véhicule. Selon une autre caractéristique de l'invention, le troisième échangeur de chaleur est apte à échanger de la chaleur avec un fluide chauffé par les pertes thermiques dues au fonctionnement du moteur du véhicule automobile. Le dispositif réversible peut également être couplé à un moto- générateur électrique apte à former un moteur électrique entraînant le dispositif réversible lorsque ce dernier forme un compresseur, et apte à former un générateur électrique entraîné par le dispositif réversible lorsque ce dernier forme un détendeur. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 est une vue schématique illustrant un premier 20 mode de fonctionnement d'un circuit de conditionnement thermique conforme à l'invention, - la figure 2 est un diagramme de Mollier illustrant le mode de fonctionnement de la figure 1, - les figures 3 et 4 sont des vues correspondant respectivement 25 aux figures 1 et 2, illustrant un deuxième mode de fonctionnement du circuit selon l'invention. Un circuit de conditionnement thermique d'un véhicule automobile est représenté aux figures 1 et 3. Ce circuit comporte un premier échangeur de chaleur 1 formant un évaporateur, un deuxième échangeur 30 de chaleur 2 formant un condenseur, un troisième échangeur de chaleur 3 formant un évaporateur, une pompe 4, un détendeur thermostatique 5 et un dispositif réversible 6 apte à former un compresseur ou un détendeur. La pompe 4 est entraînée en rotation par le moteur thermique du véhicule, lorsque ce moteur est démarré. Selon une variante d'exécution de l'invention, la pompe 4 est entraînée en rotation par un moteur électrique ou par un détendeur. Le dispositif réversible 6 est couplé à un moto-générateur électrique 7 apte à former un moteur électrique entraînant le dispositif réversible 6 lorsque ce dernier forme un compresseur, et apte à former un générateur électrique entraîné par le dispositif réversible 6 lorsque ce dernier forme un détendeur. Un dispositif réversible 6 pouvant être utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention est par exemple connu du document US 7 347 673. Le deuxième échangeur de chaleur 2 (condenseur) peut être situé en face avant du véhicule automobile, de façon à évacuer des calories vers l'extérieur. Par ailleurs, le premier échangeur de chaleur 1 (évaporateur) permet de refroidir un flux d'air prélevé à l'extérieur du véhicule avant de le faire entrer dans l'habitacle du véhicule. Enfin, le troisième échangeur de chaleur 3 (évaporateur), également appelé bouilleur, permet de récupérer directement ou indirectement des calories issues des pertes thermiques dues au fonctionnement du moteur, tels par exemple que des calories prélevées sur le flux de gaz d'échappement ou sur le circuit de refroidissement du moteur. Le circuit comporte les portions suivantes : - une première portion P1 s'étendant entre l'entrée du premier échangeur de chaleur 1 et le détendeur 5, - une deuxième portion P2 s'étendant entre le détendeur 5 et une première extrémité du deuxième échangeur de chaleur 2 formant une entrée ou une sortie du deuxième échangeur de chaleur 2, - une troisième portion P3 s'étendant entre une seconde extrémité du deuxième échangeur de chaleur 2 formant une sortie ou une entrée du deuxième échangeur de chaleur 2, d'une part, et un embranchement E, d'autre part, - une quatrième portion P4 s'étendant entre l'embranchement E et l'entrée de la pompe 4, - une cinquième portion P5 s'étendant entre la sortie de la pompe 4 et l'entrée du troisième échangeur de chaleur 3, - une sixième portion P6 s'étendant entre la sortie du troisième échangeur de chaleur 3 et l'embranchement E, - une septième portion P7 s'étendant entre l'embranchement E et le dispositif réversible 6, - une huitième portion P8 s'étendant entre le dispositif réversible 6 et la sortie du premier échangeur de chaleur 1, - une neuvième portion P9 de dérivation du détendeur 5 reliant la deuxième portion P2 à la première portion Pl, - une dixième portion P10 de dérivation du premier échangeur de chaleur 1, reliant la première portion P1 à la huitième portion P8, et - une onzième portion Pll de dérivation d'un accumulateur 8. Le circuit comporte en outre une vanne V située au niveau de l'embranchement E, ladite vanne V étant sélectivement apte à : - assurer la liaison uniquement entre la troisième portion P3 et la septième portion P7, - assurer la liaison entre la troisième portion P3 et la quatrième portion P4, d'une part, et la liaison entre la sixième portion P6 et la septième portion P7, d'autre part. De plus, la neuvième portion P9 comporte un premier clapet unidirectionnel C1, la dixième portion P10 comporte un deuxième clapet unidirectionnel C2 et la onzième portion Pll comporte un troisième clapet unidirectionnel C3. Chaque clapet C1, C2, C3 est apte à autoriser le passage de fluide 30 frigorigène au travers de la portion correspondante dans un sens de circulation du fluide frigorigène et apte à interdire le passage de fluide frigorigène au travers de ladite portion dans le sens de circulation opposé. Des moyens permettant de réaliser un sous-refroidissement forcé du fluide frigorigène, tels par exemple qu'un échangeur sous refroidisseur 9, équipent la quatrième portion du circuit P4, entre l'embranchement E et la pompe 4. La quatrième portion P4 est en outre équipée d'une bouteille dessiccante 10, disposée entre le deuxième échangeur de chaleur 2 et les moyens de sous-refroidissement 9. De plus, la huitième portion P8 est équipée de l'accumulateur 8 précité. Le fonctionnement de ce circuit va maintenant être décrit plus en détail. Un premier mode de fonctionnement est illustré aux figures 1 et 2. Sur la figure 1 (et sur la figure 3 décrite ci-après), les portions ou les éléments du circuit traversés par le flux de fluide frigorigène sont représentés en traits forts tandis que les portions ou les éléments du circuit dans lequel le fluide frigorigène ne circule pas sont représentés en traits pointillés. Dans ce mode de fonctionnement, le fluide frigorigène circule selon une première boucle traversant successivement le deuxième échangeur de chaleur 2 (condenseur), le détendeur 5, le premier échangeur de chaleur 1 (évaporateur), l'accumulateur 8, le dispositif réversible 6 formant un compresseur et la vanne V avant de traverser à nouveau le deuxième échangeur de chaleur 2 (condenseur). Dans ce mode de fonctionnement, le dispositif réversible 6 est entraîné par le moto-réducteur 7 fonctionnant en tant que moteur électrique. Le flux d'air destiné à déboucher dans l'habitacle est refroidi par l'évaporateur 1, les calories étant ensuite rejetées par le condenseur 2. Dans le premier mode de fonctionnement, le circuit peut fonctionner même lorsque le moteur thermique est à l'arrêt. En effet, la pompe 4 n'est pas fonctionnelle et le mouvement du fluide frigorigène le long du circuit est assuré par le dispositif réversible 6. Le cycle thermodynamique correspondant est illustré sur le diagramme de Mollier de la figure 2. Sur ce diagramme, l'abscisse est formée par l'enthalpie H et l'ordonnée est formée par la pression p du fluide frigorigène. Des points référencés il à i4 ont été reportés à la fois sur le diagramme de Mollier et sur le circuit illustré à la figure 1 afin de faciliter la compréhension. Les phases (liquide ; diphasique, c'est-à-dire liquide et vapeur ; vapeur) sont également indiquées sur le diagramme, ainsi que les différentes étapes du cycle (évaporation, condensation, compression, détente). Un deuxième mode de fonctionnement est illustré aux figures 3 et 4. Dans ce mode de fonctionnement, le fluide frigorigène circule selon une deuxième boucle traversant successivement le deuxième échangeur de chaleur 2 (condenseur), la vanne V, la bouteille dessiccante 10, les moyens de sous-refroidissement 9, la pompe 4, le troisième échangeur de chaleur 3 (évaporateur), la vanne V, le dispositif réversible 6 formant un détendeur, les clapets C3_, C2 et C1, avant de traverser à nouveau le deuxième échangeur de chaleur 2 (condenseur). Le deuxième mode de fonctionnement correspond à un cycle de Rankine et permet de récupérer de l'énergie électrique grâce au dispositif réversible 67. En effet, dans ce mode de fonctionnement, le dispositif réversible 6 forme un détendeur et entraîne le moto-générateur 7 fonctionnant en tant que générateur électrique, de façon à récupérer une quantité non négligeable d'énergie. Dans ce mode de fonctionnement également, la pompe 4 est entraînée par le moteur thermique du véhicule, qui est démarré. Des calories issues des pertes thermiques du moteur sont récupérées à l'aide du troisième échangeur de chaleur 3. Comme précédemment, le cycle thermodynamique correspondant au deuxième mode de fonctionnement est illustré sur le diagramme de Mollier de la figure 4. REVENDICATIONS1. Circuit de conditionnement thermique, notamment pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un premier échangeur de chaleur (1) formant un évaporateur, un deuxième échangeur de chaleur (2) formant un condenseur, un troisième échangeur de chaleur (3) formant un évaporateur, une pompe (4), un détendeur (5), un dispositif réversible (6) apte à former un compresseur ou un détendeur, et des moyens (V, C1, C2, C3) aptes à faire circuler un fluide frigorigène dans le circuit selon l'un au moins des modes de fonctionnement suivants : - un premier mode de fonctionnement dans une première boucle traversant au moins successivement le deuxième échangeur de chaleur (2), le détendeur (5), le premier échangeur de chaleur (1) et le dispositif réversible (6) formant un compresseur, et - un deuxième mode de fonctionnement dans une deuxième boucle traversant au moins successivement le deuxième échangeur de chaleur (2), la pompe (4), le troisième échangeur de chaleur (3) et le dispositif réversible (6) formant un détendeur avant de traverser à nouveau le deuxième échangeur de chaleur (2). 2. Circuit de conditionnement thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant de réaliser un sous-refroidissement forcé du fluide frigorigène en amont de la pompe (4), tels par exemple qu'un échangeur sous refroidisseur (9). 3. Circuit de conditionnement thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une bouteille dessiccante (10), disposée en amont de la pompe (4) et/ou en amont des moyens de sous-refroidissement (9). 4. Circuit de conditionnement thermique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le détendeur (5) est un détendeur électronique. 5. Circuit de conditionnement thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une première portion (P1) s'étendant entre l'entrée du premier échangeur de chaleur (1) et le détendeur (5), une deuxième portion (P2) s'étendant entre le détendeur (5) et une première extrémité du deuxième échangeur de chaleur (2) formant une entrée ou une sortie du deuxième échangeur de chaleur (2), une troisième portion (P3) s'étendant entre une seconde extrémité du deuxième échangeur de chaleur (2) formant une sortie ou une entrée du deuxième échangeur de chaleur (2), d'une part, et un embranchement (E), d'autre part, une quatrième portion (P4) s'étendant entre l'embranchement (E) et l'entrée de la pompe (4), une cinquième portion (P5) s'étendant entre la sortie de la pompe (4) et l'entrée du troisième échangeur de chaleur (3), une sixième portion (P6) s'étendant entre la sortie du troisième échangeur de chaleur (3) et l'embranchement (E), une septième portion (P7) s'étendant entre l'embranchement (E) et le dispositif réversible (6), une huitième portion (P8) s'étendant entre le dispositif réversible (6) et la sortie du premier échangeur de chaleur (1), une neuvième portion (P9) de dérivation du détendeur (5) reliant la deuxième portion (P2) à la première portion (P1), une dixième portion (P10) de dérivation du premier échangeur de chaleur (1), reliant la première portion (P1) à la huitième portion (P8), et au moins une vanne (V) et/ou au moins un clapet unidirectionnel (C1, C2, C3) situés au niveau de l'embranchement (E) et/ou des portions précitées de manière à permettre la circulation de fluide selon les modes de fonctionnement précités. 6. Circuit de conditionnement thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une vanne (V) située au niveau de l'embranchement (E), ladite vanne (V) étant sélectivement apte à : - assurer la liaison uniquement entre la troisième portion (P3) et la septième portion (P7),- assurer la liaison entre la troisième portion (P3) et la quatrième portion (P4), d'une part, et la liaison entre la sixième portion (P6) et la septième portion (P7), d'autre part. 7. Circuit de conditionnement thermique selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la neuvième portion (P9) comporte des moyens, tels par exemple qu'un premier clapet unidirectionnel (C1), aptes à autoriser le passage de fluide frigorigène au travers de ladite neuvième portion (P9) lors du deuxième mode de fonctionnement et aptes à interdire le passage de fluide frigorigène au travers de ladite neuvième portion (P9) lors du premier mode de fonctionnement. 8. Circuit de conditionnement thermique selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la dixième portion (P10) comporte des moyens, tels par exemple qu'un deuxième clapet unidirectionnel (C2), aptes à autoriser le passage de fluide frigorigène au travers de ladite dixième portion (P10) lors du deuxième mode de fonctionnement et aptes à interdire le passage de fluide frigorigène au travers de ladite dixième portion (P10) lors du premier mode de fonctionnement. 9. Circuit de conditionnement thermique selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la huitième portion (P8) est équipée d'un accumulateur (8) de fluide frigorigène, le circuit comportant une onzième portion (P11) de dérivation dudit accumulateur équipée de moyens, tels par exemple qu'un clapet unidirectionnel (C3), autorisant le passage de fluide frigorigène au travers de ladite onzième portion (P11) lors du deuxième mode de fonctionnement et interdisant le passage de fluide frigorigène au travers de ladite onzième portion (P11) lors du premier mode de fonctionnement. 10. Circuit de conditionnement thermique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le premier échangeur (1) est apte à échanger de la chaleur avec de l'air destiné à entrer dans l'habitacle d'un véhicule. 11. Circuit de conditionnement thermique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le troisième échangeur de chaleur (3) est apte à échanger de la chaleur avec un fluide chauffé par les pertes thermiques dues au fonctionnement du moteur du véhicule automobile. 12. Circuit de conditionnement thermique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le dispositif réversible (6) est couplé à un moto-générateur électrique (7) apte à former un moteur électrique entraînant le dispositif réversible (6) lorsque ce dernier forme un compresseur, et apte à former un générateur électrique entraîné par le dispositif réversible (6) lorsque ce dernier forme un détendeur.