Brevet FR3033194A1 — publié le 20160902

Circuit de climatisation transcritique à vase d'expansion intégré DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine de la climatisation et plus particulièrement les circuits de climatisation à fonctionnement transcritique. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Les dispositifs de climatisation de l'habitacle d'un véhicule sont largement répandus, quel que soit le type de motorisation du véhicule. Classiquement, un dispositif de climatisation fonctionne suivant un cycle de fonctionnement subcritique de compression de vapeur mettant en oeuvre un fluide tel que celui produit sous la ré- férence R134a (Tétrafluoroéthane-1,1,1,2). Un cycle ther- modynamique est dit subcritique lorsqu'il fonctionne en dessous de la température critique du fluide. La température critique d'un fluide est sa température maximale en phase liquide, quelle que soit la pression, c'est-à-dire la température de son point critique. L'utilisation de fluides tels que le fluide R134a va prochainement être interdite en raison de son important pouvoir d'effet de serre. Parmi les alternatives, le dioxyde de carbone (CO2), également désigné R744, semble être le remplaçant le plus prometteur pour les futurs circuits de climatisation. Cependant, en raison de la faible température critique (31 degrés Celsius) du CO2, un circuit de climatisation mettant en oeuvre du CO2 doit adopter un cycle de fonctionnement transcritique, c'est- à-dire faisant intervenir des températures/pressions su- périeures à la température/pression critique du fluide. Les équipements habituellement utilisés pour les circuits à cycle de fonctionnement subcritique ne sont pas adaptés à des cycles de fonctionnement transcritiques et doivent alors être repensés. 3033194 2 Classiquement, un circuit de climatisation à cycle de fonctionnement transcritique comprend un compresseur rotatif entraîné, via un embrayage, par un élément tournant du moteur du véhicule. En référence à la 5 figure 1, ce compresseur 60 comprime un fluide frigopor- teur et le dirige vers un refroidisseur de gaz 61 accolé à un ventilateur. Le ventilateur force un flux d'air au travers du refroidisseur de gaz 61 afin d'évacuer un maximum de calories du fluide comprimé. Le fluide frigo- 10 porteur est ensuite dirigé vers le circuit froid d'un échangeur interne 62 dans lequel le fluide frigoporteur cède encore de sa chaleur à une portion du circuit correspondant au circuit chaud de l'échangeur interne 62. Le fluide frigoporteur ainsi refroidi est ensuite dirigé 15 vers un détendeur 63 qui détend le fluide frigoporteur et le dirige vers un échangeur de type « chiller » (ou refroidisseur d'eau en français) 64. L'échangeur de type « chiller » 64 est lié à un circuit de refroidissement 65 dans lequel circule un fluide de refroidissement en 20 échange thermique avec le fluide frigoporteure circuit de refroidissement comprend également un vase d'expansion dont la fonction est d'offrir un volume d'expansion absorbant les variations de volume du fluide de refroidissement. 25 Les constructeurs automobiles souhaitant offrir des véhicules compacts et aussi peu coûteux que possible, il existe un besoin pour des circuits de climatisation à cycle de fonctionnement transcritique compacts et économiques. 30 OBJET DE L'INVENTION Un but de l'invention est de réduire l'encombrement et les coûts de fabrication et de montage d'un circuit de climatisation à cycle de fonctionnement transcritique. 35 3033194 3 RESUME DE L'INVENTION A cet effet, on prévoit un dispositif de climati- sation à cycle de fonctionnement transcritique, comprenant un circuit convoyant un fluide frigoporteur et re- 5 liant successivement : - la sortie d'un compresseur ; - un refroidisseur de gaz ; - le circuit froid d'un refroidisseur intermédiaire ; 10 - un détendeur ; - un deuxième échangeur du dispositif de climatisation ayant un volume de circulation d'un fluide réfrigérant en échange thermique avec le fluide frigoporteur ; - l'entrée du circuit chaud du refroidisseur in- 15 termédiaire. La sortie du circuit chaud du refroidisseur intermédiaire est reliée à l'entrée du compresseur. Selon l'invention, le deuxième échangeur com- prend un volume d'expansion du fluide de refroidissement. Ainsi, on réduit l'encombrement de l'ensemble 20 deuxième échangeur et vase d'expansion en fusionnant ces deux composants. On réduit également le risque de fuite de fluide par une diminution du nombre de conduits. Enfin, les opérations de fabrication et de montage sont simplifiées, le tout résultant en un dispositif plus 25 fiable, plus compact et moins coûteux que les solutions précédentes. L'invention comprend également un deuxième échan- geur pour circuit de climatisation à fonctionnement transcritique, comprenant un faisceau de tubes de circu- 30 lation d'un fluide frigoporteur qui s'étendent dans un volume de circulation d'un fluide réfrigérant. Le deuxième échangeur comprend un volume d'expansion du fluide de refroidissement. Le volume de circulation du fluide de refroidis- 35 sement d'un tel échangeur est avantageusement de forme 3033194 4 sensiblement parallélépipédique et est délimité par un corps comprenant un premier élément moulé et un deuxième élément rapporté par agrafage sur le premier. Ce mode d'assemblage est particulièrement économique et fiable. 5 Selon un mode de réalisation particulier, le pre- mier élément a une forme sensiblement parallélépipédique et le deuxième élément est sensiblement plan. Alternativement, le premier élément et le deu- xième élément sont tous deux de forme sensiblement paral- 10 lélépipédique. Ainsi, il est possible de proposer des échangeurs, pour circuit de climatisation à fonctionnement transcritique, ayant deux volumes de circulation de fluide réfrigérant différents et possédant un nombre im- 15 portant de pièces en commun, ce qui contribue à réduire le prix unitaire de chaque échangeur . Enfin, au moins l'un des éléments comprend au moins une rainure d'accueil des flancs d'un collecteur du faisceau de tubes de circulation du fluide frigoporteur. 20 Ceci permet de faciliter le positionnement rela- tif des différents composants du deuxième échangeur lors du montage et réduit ainsi son coût de fabrication. D'autres caractéristiques et avantages ressorti- ront à la lecture de la description qui suit de modes de 25 réalisation non limitatifs de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexé&s parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique 30 d'un circuit de climatisation à fonctionnement transcri- tique de l'art antérieur ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un circuit de climatisation à fonctionnement transcritique selon l'invention ; 3033194 5 - la figure 3 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation d'un deuxième échangeur selon l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective de 5 l'échangeur de la figure 3 après une rotation de 90'; - la figure 5 est une vue éclatée en perspective de l'échangeur de la figure 4 ; - la figure 6 est une coupe suivant un plan VI-VI de l'échangeur de la figure 4 ; 10 - la figure 7 est une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation d'un deuxième échangeur selon l'invention ; - la figure 8 est une vue en perspective de l'échangeur de la figure 7 après une rotation de 90'; 15 - la figure 9 est une vue éclatée en perspective de l'échangeur de la figure 8. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 2, le dispositif de cli- 20 matisation à cycle de fonctionnement transcritique, glo- balement désigné 1, est monté dans un compartiment moteur 2 d'un véhicule 3 à moteur à combustion interne (non représenté). Le dispositif 1 comprend un circuit 4 convoyant 25 un fluide frigoporteur 5, ici du CO2, dans un sens repré- senté par les flèches. Le circuit 4 relie successivement : - la sortie 6 d'un compresseur 7 ; - un refroidisseur de gaz 8 ; 30 - le circuit froid 9 d'un refroidisseur intermé- diaire 10 ; - un détendeur 11 ; - un deuxième échangeur 12 du dispositif de climatisation; et 35 - l'entrée 13 du circuit chaud 14 du refroidis- 3033194 6 seur intermédiaire 10. La sortie 15 du circuit chaud 14 du refroidisseur intermédiaire 10 est, quant à elle, reliée à l'entrée 16 du compresseur 7. 5 Un circuit 20 de refroidissement convoie un fluide de refroidissement 21, ici de l'eau glycolée, grâce à une pompe de circulation 22. Le circuit 20 comprend un échangeur thermique fluide/air 23 au travers duquel un ventilateur 24 force un flux d'air destiné à 10 l'habitacle du véhicule 3. Le fluide de refroidissement 21 pénètre dans le deuxième échangeur 12 afin de perdre des calories absorbées par le changement d'état du fluide frigoporteur 5 dans le deuxième échangeur 12. Le deuxième échangeur 12 pourra être utilisé en 15 tant qu'échangeur de type « chiller » ou refroidisseur d'eau en français. Dans une telle utilisation, ce type d'échangeur fonctionne comme un échangeur apte à créer du froid pour un échange avec un fluide de refroidissement d'un autre circuit du véhicule automobile en particulier 20 quand ce dernier comporte des batteries. Le deuxième échangeur de chaleur pourra aussi être utilisé en tant qu'échangeur de type condenseur ou encore en tant qu'échangeur de type refroidisseur de gaz refroidi avec un fluide de refroidissement (comme par 25 exemple de l'eau glycolée). Un premier mode de réalisation du deuxième échan- geur 12 va maintenant être décrit en référence aux figures 3 à 5. Le deuxième échangeur 12 comprend un corps 30 de 30 forme sensiblement parallélépipédique délimitant un vo- lume intérieur 31 contenant un faisceau tubulaire 50. Le corps 30 comprend un premier élément moulé 32 de forme sensiblement parallélépipédique sur lequel est rapporté un deuxième élément 33 sensiblement plan. Les éléments 32 35 et 33 sont solidarisés l'un sur l'autre par une pluralité 3033194 7 d'agrafes 34 intégrées au deuxième élément 33. Le premier élément 32 comporte une face 35 ouverte et est pourvu d'une pluralité de nervures extérieures 36 renforçant sa tenue à la pression. Le premier élément 32 comprend une 5 première rainure périphérique interne 37 et une deuxième rainure 38 identique. Les rainures 37 et 38 sont respectivement situées à l'extrémité supérieure 39 et à l'extrémité inférieure 40 du premier élément 32. Le premier élément 32 comprend également un premier et un deu- 10 xième raccord tubulaire 41 et 42 débouchant respective- ment dans une portion supérieure et inférieure du volume intérieur 31. Comme visible sur les figures, les raccords 41 et 42 viennent en saillie de deux faces opposées du premier élément 32, l'un à proximité de l'extrémité supé- 15 rieure 39 et l'autre à proximité de l'extrémité infé- rieure 40. Une portion 43 de forme sensiblement parallélépipédique est reliée par sa base à l'extrémité supérieure 39 du premier élément 32. La portion 43 est en lien fluidique avec le volume 31 car sa base est évidée. 20 Un bouchon 44 situé sur la face opposée à la base de la portion 43 permet d'accéder au volume interne 43.1 de la portion 43. Le deuxième élément 33 comprend un premier rac- cord tubulaire 45 et un deuxième raccord 46 tubulaire dé- 25 bouchant dans le volume 31 respectivement face aux rai- nures 37 et 38. Le faisceau tubulaire 50 comprend, ici, sept tubes 51 parallèles entre eux et de section rectangulaire. Les tubes 51 comprennent des créneaux 51.1 qui 30 augmentent la surface d'échange des tubes avec le milieu dans lequel ils s'étendent. Les tubes 51 s'étendent dans le volume 31 depuis un collecteur d'entrée 52 jusqu'à un collecteur de sortie 53. Chaque collecteur 52 et 53 a une forme sensiblement parallélépipédique et possède respec- 35 tivement un élément d'étanchéité 54 et 55 venant respec- 3033194 8 tivement s'emboîter dans la partie tubulaire des raccords 46 et 45. Lors de la fabrication du deuxième échangeur 12, les flancs des collecteurs 53 et 54 du faisceau tubulaire 5 50 sont respectivement placés dans les rainures 38 et 37 du premier élément 32. Le deuxième élément 33 est ensuite présenté de manière à ce que les éléments d'étanchéité 54 et 55 s'engagent respectivement dans les parties tubulaires des raccords 46 et 45. Le deuxième élément 33 est 10 ensuite amené au contact du premier élément 32 et les éléments 32 et 33 sont solidarisés à l'aide des agrafes 34. Le deuxième échangeur 12 ainsi constitué comprend donc un faisceau tubulaire 50 s'étendant dans un volume intérieur 31 compris entre les deux collecteurs 52 et 53. 15 Le deuxième échangeur 12 comprend également le volume in- terne 43.1 de la portion 43 en lien fluidique avec le volume 31. Le deuxième échangeur 12 est relié au dispositif de climatisation 1 de manière à ce que le fluide frigo- 20 porteur 5 en sortie du détendeur 11 pénètre dans le col- lecteur d'entrée 52 via le raccord 46 et ressorte du collecteur de sortie 53 via le raccord 45. L'entrée de l'échangeur 23 est reliée au raccord 42 et la sortie de l'échangeur 23 est reliée au raccord 41. En fonctionne- 25 ment, le fluide frigoporteur 5 détendu s'évapore dans les tubes 51 du faisceau tubulaire 50 et refroidit le fluide de refroidissement 21 circulant dans le volume intérieur 31 sous l'effet de la pompe de circulation 22. En cas de variation du volume de fluide de refroidissement 21 pro- 30 vaqué par un changement de pression ambiante ou une cha- leur importante à évacuer, le volume 43.1 autorise l'expansion du fluide de refroidissement 21. En effet, le volume 43.1 étant situé au dessus du raccord 41 de la sortie de fluide de refroidissement 21, celui-ci est peu 35 voire pas occupé par le fluide de refroidissement 21 et 3033194 9 forme un volume d'expansion de ce dernier. Les éléments identiques ou analogues à ceux pré- cédemment décrits porteront une référence numérique identique à ceux-ci dans la description qui suit d'un deu- 5 xième mode de réalisation de l'invention en référence aux figures 7 à 9. Le corps 30 du deuxième échangeur 12 est de forme sensiblement parallélépipédique et comprend un premier élément moulé 32 de forme sensiblement parallélépipé- 10 clique, ouvert sur une de ses faces. Un deuxième élément 70 lui aussi sensiblement parallélépipédique comprend une face ouverte sur laquelle est rapportée la face ouverte de l'élément 32. Les corps 32 et 70 définissent ainsi un volume intérieur 71 de circulation du fluide de refroi- 15 dissement 21. Les éléments 32 et 70 sont solidarisés l'un sur l'autre par une pluralité d'agrafes 34. La liaison entre les deux éléments 32 et 70 peut être réalisée par des agrafes, des vis, ou par soudure par induction ou par vibration. Le deuxième élément 70 est pourvu d'une plura- 20 lité de nervures extérieures 36 renforçant sa tenue à la pression ; ainsi que d'une première rainure 72 périphérique interne et d'une deuxième rainure 73 périphérique interne identique à la rainure 72. Les rainures 72 et 73 sont respectivement situées à l'extrémité supérieure 74 25 et à l'extrémité inférieure 75 du deuxième élément 70. Le deuxième élément 70 comprend un premier raccord 45 tubulaire et un deuxième raccord 46 tubulaire débouchant dans le volume 71 respectivement face aux rainures 72 et 73. Le faisceau tubulaire 80 comprend, ici, quatorze 30 tubes 51 s'étendant dans le volume 71 depuis le collec- teur d'entrée 52 jusqu'au collecteur de sortie 53. Lors de la fabrication du deuxième échangeur 12, les flancs des collecteurs 53 et 54 du faisceau tubulaire 80 sont respectivement placés dans les rainures 38 et 37 35 du premier élément 32. Le deuxième élément 70 est ensuite 3033194 10 présenté de manière à ce que les rainures 73 et 72 fassent face aux flancs des collecteurs 53 et 54. Dans cette position, les éléments d'étanchéité 54 et 55 s'engagent respectivement dans les parties tubulaires des raccords 5 46 et 45. Le deuxième élément 70 est ensuite amené au contact du premier élément 32 et les éléments sont solidarisés par agrafage. Le deuxième échangeur12 ainsi constitué comprend donc un faisceau tubulaire 80 proposant une surface d'échange de quatorze tubes 51. La fabrica- 10 tion du deuxième échangeur selon ce deuxième mode de réa- lisation met en oeuvre une part importante d'éléments communs ou identiques avec le premier mode de réalisation, résultant en des coûts de fabrication et d'outillage réduits. 15 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute la variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier : 20 - bien qu'ici le circuit relie directement les diffé- rents composants du dispositif de climatisation, l'invention s'applique également à des composants reliés les uns à autres via d'autres composants comme par exemple un dessiccateur, des organes de 25 contrôles ou de régulation, des vannes ou autres ; - bien qu'ici le fluide frigoporteur soit du CO2, l'invention s'applique également à d'autres types de fluides frigoporteurs aptes à un fonctionnement en cycle transcritique ; 30 - bien qu'ici le fluide de refroidissement soit de l'eau glycolée, l'invention s'applique également à d'autres types de fluides réfrigérants comme par exemple l'alcool, l'eau salée, l'ammoniaque ou le chlorure d'ammonium ; 35 - bien qu'ici les éléments constituant le corps du 3033194 11 deuxième échangeur soient réalisés par moulage, l'invention s'applique également à d'autres modes de réalisation des éléments comme par exemple l'emboutissage, le formage, le mécano soudage ou 5 l'usinage ; - bien qu'ici, les éléments du corps soient liés l'un à l'autre par agrafage, l'invention s'applique également à des éléments liés entre eux par d'autres moyens d'assemblage comme par exemple le soudage, le 10 vissage, le collage ; - bien qu'ici les raccords rapportés sur le corps du deuxième échangeur soient tubulaires, l'invention s'applique également à d'autres types de raccords comme par exemple des raccords à baïonnette ou des 15 raccords de types cartouches ; - bien qu'ici, les tubes du faisceau de tubes soient crénelés et au nombre de sept ou quatorze, l'invention s'applique également à des tubes de forme quelconque en nombre différents, comme par 20 exemple des tubes lisses. REVENDICATIONS1. Dispositif de climatisation (1) à cycle de fonctionnement transcritique, le dispositif comprenant un circuit (4) convoyant un fluide frigoporteur (5) et re- liant successivement - la sortie (6) d'un compresseur (7) ; - un refroidisseur de gaz (8) ; - le circuit froid (9) d'un refroidisseur inter- médiaire (10) ; - un détendeur (11) ; - un deuxième échangeur (12) ayant un volume (31, 71) de circulation d'un fluide de refroidissement (21) en échange thermique avec le fluide frigoporteur (5) ; - l'entrée (13) du circuit chaud (14) du refroidisseur intermédiaire (10), la sortie (15) du circuit chaud (14) du refroidisseur intermédiaire (10) étant reliée à l'entrée (16) du compresseur (7), le dispositif de climatisation (1) étant caracté- risé en ce que le deuxième échangeur (12) comprend un volume d'expansion (43.1) du fluide de refroidissement (21). 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel le volume d'expansion (43.1) du deuxième échangeur (12) comprend également un bouchon d'accès (44). 3. Echangeur (12) pour dispositif de climatisa- tion (1) à fonctionnement transcritique, comprenant un faisceau (50) de tubes (51) de circulation d'un fluide frigoporteur (5) qui s'étendent dans un volume (31, 71) de circulation d'un fluide de refroidissement (21), ledit échangeur (12) comprenant un volume d'expansion (43.1) du fluide de refroidissement (21). 3033194 13 4. Echangeur (12) selon la revendication 3, comprenant un bouchon d'accès (44) au volume d'expansion (43.1) du fluide de refroidissement (21). 5 5. Echangeur (12) selon la revendication 3, dans lequel le volume (31, 71) de circulation du fluide de refroidissement (21) est de forme sensiblement parallélépipédique et est délimité par un corps (30) comprenant un 10 premier élément (32) et un deuxième élément (33, 70) rap- porté par agrafage sur le premier élément (32). 6. Echangeur (12) selon la revendication 5, dans lequel le premier élément (32) a une forme sensiblement 15 parallélépipédique et le deuxième élément (33) est sensi- blement plan. 7. Echangeur (12) selon la revendication 5, dans lequel le premier élément (32) et le deuxième élément 20 (70) sont de forme sensiblement parallélépipédique. 8. Echangeur (12) selon la revendication 5, dans lequel au moins l'un des éléments (32, 70) comprend au moins une rainure (37, 38, 72, 73) d'accueil des flancs 25 d'un collecteur (52, 53) du faisceau (50) de tubes (51) de circulation du fluide frigoporteur (5).