Brevet FR3029275A1 — publié le 20160603

Circuit de climatisation de véhicule automobile La présente invention concerne le domaine des circuits de climatisation et plus particulièrement des circuits de climatisation de véhicule automobile. Dans un circuit classique de climatisation, lors de la détente du fluide réfrigérant, par exemple par un détendeur, une certaine quantité d'énergie est perdue lors de la détente du fluide réfrigérant. Il est ainsi connu de remplacer le détendeur par une turbine reliée à un compresseur additionnel connecté en série avec le compresseur principal. Cela permet de récupérer de l'énergie cinétique au niveau de la turbine et de l'utiliser pour comprimer le fluide réfrigérant au niveau du compresseur additionnel. On entend par connecté en série, à l'instar d'un branchement en série dans le domaine des branchements électriques, que la sortie de fluide réfrigérant du compresseur principal est connectée à l'entrée de fluide réfrigérant du compresseur additionnel lorsque celui-ci est placé en aval dudit compresseur principal ou que l'entrée de fluide réfrigérant du compresseur principal est connectée à la sortie de fluide réfrigérant du compresseur additionnel lorsque celui-ci est placé en amont dudit compresseur principal. Cependant, ce genre d'architecture de circuit de climatisation oblige à ce que le 20 compresseur situé le plus en aval soit piloté en vitesse indépendamment du compresseur pour assurer le débit du fluide réfrigérant. Cela peut demander un appoint de puissance pour compléter celle fournie par la turbine. Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement 25 aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer une architecture de circuit de climatisation améliorée. La présente invention concerne donc un circuit de climatisation dans lequel circule un fluide réfrigérant et comportant : 30 - un compresseur principal, - un premier échangeur de chaleur, tel qu'un condenseur, disposé en aval du compresseur principal, - un deuxième échangeur de chaleur, tel qu'un évaporateur, disposé en amont du compresseur principal, ledit circuit de climatisation comprenant un dispositif de détente du fluide réfrigérant et de récupération énergétique, ledit dispositif de détente comportant : - une turbine de détente disposée en amont du deuxième échangeur de chaleur, - un compresseur additionnel disposé en amont du premier échangeur de chaleur et qui est couplé mécaniquement à ladite turbine de détente, le compresseur additionnel étant connecté en parallèle du compresseur principal au sein dudit circuit de climatisation. La connexion du compresseur additionnel en parallèle du compresseur principal permet de limiter la cylindrée et la puissance d'un des compresseurs en comparaison à une connexion en série des deux compresseurs. En effet, pour une connexion en série des deux compresseurs, le compresseur en aval, généralement le compresseur additionnel, se doit d'être de capacité suffisante pour amener le fluide réfrigérant jusqu'au débit nécessaire et la détente doit être ajustée par un contrôle de la vitesse ou par une détente complémentaire. La connexion en parallèle du compresseur additionnel avec le compresseur principal permet d'avoir des compresseurs de plus faible cylindrée pour atteindre le débit désiré les débits en sortie des deux compresseurs s'additionnant. De plus, la connexion du compresseur additionnel en parallèle du compresseur principal permet que ledit compresseur additionnel soit piloté à la même vitesse de rotation que la turbine de détente permettant un couplage mécanique entre les deux. Selon un aspect de l'invention, le couplage mécanique entre la turbine de détente et le compresseur additionnel est réalisé par un arbre de transmission reliant ladite turbine de détente et ledit compresseur additionnel.30 Selon un autre aspect de l'invention, les sorties de fluide réfrigérant du compresseur principal et du compresseur additionnel sont toutes deux connectées à un premier noeud de raccordement situé en amont du premier échangeur de chaleur et les entrées de fluide réfrigérant du compresseur principal et du compresseur additionnel sont toutes deux connectées à un deuxième noeud de raccordement situé en aval du premier échangeur de chaleur. Selon un autre aspect de l'invention, la cylindrée de la turbine de détente est comprise entre 1 et 2,5 fois la cylindrée du compresseur additionnel. Selon un autre aspect de l'invention, le circuit de climatisation comporte en outre un accumulateur déshumidifiant placé en amont du compresseur principal et du compresseur additionnel. Selon un autre aspect de l'invention, le circuit de climatisation comporte également un échangeur de chaleur interne entre le fluide réfrigérant en sortie du condenseur et le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur de chaleur. Selon un autre aspect de l'invention, le fluide réfrigérant est du dioxyde de 20 carbone. La présente invention concerne également un véhicule automobile comportant un circuit de climatisation tel que défini précédemment. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement 25 à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 montre une représentation schématique d'un circuit de climatisation selon un premier mode de réalisation, - la figure 2 montre une représentation schématique d'un circuit de 30 climatisation selon un second mode de réalisation, - les figures 3a à 3e montrent des diagrammes des coefficients de performances de différents circuits de climatisation selon différentes configurations et conditions. Sur les différentes figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de 5 référence. Dans la présente description, on entend par « placé en amont » qu'un élément est placé avant un autre par rapport au sens de circulation du fluide réfrigérant. A contrario, on entend par « placé en aval » qu'un élément est placé après un autre par rapport au 10 sens de circulation du fluide réfrigérant. Comme le montre la figure 1, le circuit de climatisation 1, au sein duquel circule un fluide réfrigérant, comporte notamment : un compresseur principal 3, 15 un premier échangeur de chaleur 5 disposé en aval du compresseur principal 3, un deuxième échangeur de chaleur 9 disposé en amont du compresseur principal 3, et un dispositif de détente 7 du fluide réfrigérant et de récupération 20 énergétique. Le dispositif de détente 7 comporte quant à lui : - une turbine de détente 71 disposée en amont du deuxième échangeur de chaleur 9, - un compresseur additionnel 73 disposé en amont du premier 25 échangeur de chaleur 5 et couplé mécaniquement à ladite turbine de détente (71). Ce couplage peut notamment être réalisé par - un arbre de transmission 75 reliant la turbine de détente 71 et le compresseur additionnel 73. Le premier échangeur de chaleur 5, par exemple un condenseur, est destiné à 30 refroidir le fluide réfrigérant après son passage dans le compresseur 3 notamment en dissipant l'énergie calorifique du fluide réfrigérant dans l'air extérieur. Le deuxième échangeur de chaleur 9, par exemple un évaporateur, est destiné à chauffer le fluide réfrigérant notamment en prenant de l'énergie calorifique à un flux d'air. Ce flux d'air peut par exemple être un flux d'air destiné à venir au sein d'un habitacle d'un véhicule automobile. La turbine de détente 71 permet de récupérer de l'énergie lors de la détente du fluide réfrigérant et de la retransmettre via l'arbre de transmission 75 au compresseur additionnel 73 qui comprime le fluide réfrigérant en coopération avec le compresseur principal 3. De plus du fait de la récupération de cette énergie au niveau de la turbine de détente 71, l'enthalpie du fluide réfrigérant à l'entrée du deuxième échangeur de chaleur 9 est plus basse que dans une utilisation d'un détendeur classique et donc cela augmente l'efficacité de l'évaporateur à dimension équivalente. Le compresseur principal 3, le premier échangeur de chaleur 5, la turbine de détente 71 du dispositif de détente 7, ainsi que le deuxième échangeur de chaleur 9 sont connectés en série au sein du circuit de climatisation 1. Par « connecté en série », à l'instar de la terminologie dans le domaine électrique, on entend que ces éléments sont placés à la suite les uns des autres dans le circuit de climatisation 1. Le compresseur additionnel 73 est quant à lui connecté en parallèle du compresseur principal 3. Par « connecté en parallèle », à l'instar de la terminologie dans le domaine électrique, on entend que les entrées de fluide réfrigérant du compresseur principal 3 et du compresseur additionnel 73 sont toutes deux connectées à la même arrivée de fluide réfrigérant, c'est-à-dire en provenance deuxième échangeur de chaleur 9. Les sorties de fluide réfrigérant du compresseur principal 3 et du compresseur additionnel 73 sont quant à elles toutes deux connectées à l'entrée de fluide réfrigérant du premier échangeur de chaleur 5. Comme le montrent les figures 1 et 2, les sorties de fluide réfrigérant du compresseur principal 3 et du compresseur additionnel 73 peuvent être toutes deux connectées à un premier noeud de raccordement 101 situé en amont du premier 30 échangeur de chaleur 5. Les entrées de fluide réfrigérant du compresseur principal 3 et du compresseur additionnel 73 quant à elles peuvent être toutes deux connectées à un deuxième noeud de raccordement 101 situé en aval du premier échangeur de chaleur 5. Cette connexion du compresseur additionnel 73 en parallèle du compresseur principal 3 permet de limiter la cylindrée et la puissance d'un des compresseurs en 5 comparaison à une connexion en série des deux compresseurs. En effet, pour une connexion en série des deux compresseurs, le compresseur en aval, généralement le compresseur additionnel 73, se doit d'être de capacité suffisante pour amener le fluide réfrigérant jusqu'au débit nécessaire et la détente doit être ajustée par un contrôle de la vitesse ou par une détente complémentaire. La connexion en parallèle du compresseur 10 additionnel 73 avec le compresseur principal 3 permet d'avoir des compresseurs de plus faible cylindrée pour atteindre le débit désiré des débits en sortie des deux compresseurs s'additionnant. Le circuit de climatisation 1 peut également comporter un accumulateur 15 déshumidifiant 11 placé en amont du compresseur principal 3 et du compresseur additionnel 73. Dans ce cas de figure, les entrées de fluide réfrigérant du compresseur principal 3 et du compresseur additionnel 73 sont toutes deux connectées à la sortie de fluide réfrigérant dudit accumulateur déshumidifiant 11. Le circuit de climatisation 1 est particulièrement adapté au refroidissement d'air 20 au sein d'un véhicule automobile, mais il est toutefois possible d'utiliser un circuit de climatisation 1 dans d'autres domaines que le domaine automobile, par exemple dans le domaine de la gestion thermique et du refroidissement de bâtiments, de chambres froides ou autre. 25 Le dispositif de détente 7 est de préférence à dimension fixe et la turbine de détente 71, le compresseur additionnel 73 et l'arbre de transmission 75 sont ainsi proches les uns des autres et contenus au sein d'un même élément. Les cylindrées du compresseur additionnel 73 et de la turbine de détente 71 sont également fixes et déterminées selon les besoins et le dimensionnement du système. Afin d'assurer un débit et une compression suffisants, le rapport entre la cylindrée de la turbine de détente 71 et le compresseur additionnel 73 est de préférence compris entre 1 et 2,5. Le fluide réfrigérant est de préférence du dioxyde de carbone (ou CO2). En effet le contrôle de la pression en sortie de la turbine de détente 71 est limité et l'utilisation du CO2 en tant que fluide réfrigérant permet de pallier à cet inconvénient. Comme le montre la figure 2, le circuit de climatisation 1 peut également 10 comporter un échangeur de chaleur interne 13 qui permet un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant en sortie du premier échangeur de chaleur 5 et le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur de chaleur 9. Des tests du coefficient de performance de différents circuits de climatisation 15 selon diverses conditions sont illustrés aux figures 3a à 3e. L'efficacité d'un échangeur de chaleur interne dans le circuit de climatisation testé est indiquée en abscisse sous la légende IHX (Internai Heat Exhanger en anglais) ainsi que son efficacité. Une valeur de 0 en abscisse indique l'absence d'échangeur de chaleur interne, une valeur comprise entre 0,2 et 1 correspond à la présence d'un 20 échangeur de chaleur interne dans le circuit de climatisation testé et indique également son efficacité d'échange de chaleur entre le fluide réfrigérant en sortie du condenseur et le fluide réfrigérant en sortie de l'évaporateur. Les barres grisées des différents diagrammes correspondent au coefficient de performance d'un circuit de climatisation « classique » comportant un compresseur 3, 25 un premier échangeur de chaleur 5, un détendeur et un deuxième échangeur de chaleur 9 et éventuellement un échangeur de chaleur interne 13. Les barres hachurées des différents diagrammes correspondent au coefficient de performance d'un circuit de climatisation selon l'invention. Pour les différents tests et cas de figures, la cylindrée de la turbine de détente 71 est égale à deux fois la cylindrée 30 du compresseur additionnel 73. Les coefficients de performance, indiqués en ordonné sous la légende COP, sont calculés de la manière suivante : - dans le cas d'un circuit de climatisation « classique », le coefficient de performance correspond au rapport : énergie restituée au niveau du deuxième échangeur de chaleur 9 / énergie consommée par le compresseur 3. - Dans le cas d'un circuit de climatisation 1 selon l'invention, le coefficient de performance correspond au rapport : énergie restituée au niveau du deuxième échangeur de chaleur 9 / énergie consommée par le compresseur principal 3. En effet, le compresseur additionnel 73 n'est pas pris en compte dans le calcul du coefficient de performance, car son énergie est directement issue de la turbine de détente 71. Pour ces différents tests, le deuxième échangeur de chaleur 9 et le premier échangeur de chaleur 5 sont de dimensions et puissances identiques. Le diagramme de la figure 3a a été effectué dans des conditions dites 1H25, c'est-à-dire avec un débit d'air en entrée d'évaporateur de l'ordre de 260 kg/h, l'air en entrée du deuxième échangeur de chaleur 9 étant à une température de 25°C, cet air étant issu de l'air extérieur. L'air en entrée du premier échangeur de chaleur 5 étant à une température de 25°C pour une vitesse de 1,5 m/s. L'air en sortie du deuxième échangeur de chaleur 9 est pour l'ensemble des cas de ce diagramme à une température de 8°C. Le diagramme de la figure 3a montre ainsi que le circuit de climatisation 1 selon l'invention possède un coefficient de performance nettement supérieur à un circuit de climatisation « classique » et ce même si ce dernier possède un échangeur de chaleur 25 interne 13. Le diagramme de la figure 3b a été effectué dans des conditions dites 1H30, c'est-à-dire avec un débit d'air en entrée d'évaporateur de l'ordre de 520 kg/h, l'air en entrée du deuxième échangeur de chaleur 9 étant à une température de 30°C, cet air 30 étant issu de l'air extérieur. L'air en entrée du condenseur 5 étant à une température de 30°C pour une vitesse de 1,5 m/s. L'air en sortie du deuxième échangeur de chaleur 9 est pour l'ensemble des cas de ce diagramme à une température de 12°C. Le diagramme de la figure 3b montre également que le circuit de climatisation 1 selon l'invention possède un coefficient de performance nettement supérieur à un circuit 5 de climatisation « classique » et ce même si ce dernier possède un échangeur de chaleur interne 13. Le diagramme de la figure 3c a été effectué dans des conditions dites 1H35, c'est-à-dire avec un débit d'air en entrée d'évaporateur de l'ordre de 465 kg/h, l'air en 10 entrée du deuxième échangeur de chaleur 9 étant à une température de 25°C, cet air étant issu d'une recirculation d'air en provenance par exemple de l'habitacle. L'air en entrée du premier échangeur de chaleur 5 étant à une température de 35°C pour une vitesse de 1,5 m/s. L'air en sortie du deuxième échangeur de chaleur 9 est pour l'ensemble des cas de ce diagramme à une température de 9°C. 15 Le diagramme de la figure 3c montre également que le circuit de climatisation 1 selon l'invention possède un coefficient de performance encore supérieur à un circuit de climatisation « classique » et ce même si ce dernier possède un échangeur de chaleur interne 13. 20 Le diagramme de la figure 3d a été effectué dans des conditions dites CD1, c'est-à-dire avec un débit d'air en entrée d'évaporateur de l'ordre de 540 kg/h, l'air en entrée du deuxième échangeur de chaleur 9 étant à une température de 46,5°C, cet air étant issu d'une recirculation d'air en provenance par exemple de l'habitacle. L'air en entrée du premier échangeur de chaleur 5 étant à une température de 46°C pour une 25 vitesse de 2,4 m/s. L'air en sortie du deuxième échangeur de chaleur 9 est pour l'ensemble des cas de ce diagramme à une température minimale. Les comparaisons sont faites pour la puissance de réfrigération obtenue sur le cas de base avec présence d'un échangeur de chaleur interne 13. Le diagramme de la figure 3d montre également que le circuit de climatisation 1 30 selon l'invention possède un coefficient de performance toujours supérieur à un circuit de climatisation « classique » et ce même si ce dernier possède un échangeur de chaleur interne 13. Le diagramme de la figure 3e a été effectué dans des conditions dites CD4, c'est 5 à dire avec un débit d'air en entrée d'évaporateur de l'ordre de 540 kg/h, l'air en entrée du deuxième échangeur de chaleur 9 étant à une température de 30°C, cet air étant issue d'une recirculation d'air en provenance par exemple de l'habitacle. L'air en entrée du premier échangeur de chaleur 5 étant à une température de 46°C pour une vitesse de 2,4 m/s. L'air en sortie du deuxième échangeur de chaleur 9, pour le circuit de climatisation 10 selon l'invention, est à une température comprise entre 9 et 12°C. Pour les différents circuits de climatisation « classiques », la température d'air en sortie de l'évaporateur est supérieure à 12°. Le diagramme de la figure 3e montre donc que le circuit de climatisation 1 selon l'invention possède un coefficient de performance supérieur à un circuit de climatisation 15 « classique » et ce même si ce dernier possède un échangeur de chaleur interne 13. De plus dans ces conditions particulières, le circuit de climatisation 1 selon l'invention permet un meilleur refroidissement de l'air en sortie du deuxième échangeur de chaleur 9. 20 Ainsi, on voit bien que le circuit de climatisation 1 selon l'invention à un meilleur coefficient de performance qu'un circuit de climatisation dit classique du fait de la présence d'un dispositif de détente 7 comportant une turbine de détente 71, un compresseur additionnel 73 et un arbre de transmission 71. De plus la connexion du compresseur additionnel 73 en parallèle du compresseur principal 3 permet d'avoir des 25 compresseurs de plus faible cylindrée pour atteindre le débit désiré des débits en sortie des deux compresseurs s'additionnant. La connexion du compresseur additionnel 73 en parallèle du compresseur principal 3 permet que ledit compresseur additionnel 73 soit piloté à la même vitesse de rotation que la turbine de détente 71 permettant un couplage mécanique entre les deux. REVENDICATIONS1. Circuit de climatisation (1) dans lequel circule un fluide réfrigérant et comportant : - un compresseur principal (3), - un premier échangeur de chaleur (5) disposé en aval du compresseur principal (3), - un deuxième échangeur de chaleur (9) disposé en amont du compresseur principal (3), caractérisé en ce que ledit circuit de circulation (1) comprend un dispositif de détente (7) du fluide réfrigérant et de récupération énergétique, ledit dispositif de détente (7) comportant : - une turbine de détente (71) disposée en amont du deuxième échangeur de chaleur (9), - un compresseur additionnel (73) disposé en amont du premier échangeur de chaleur (5) et qui est couplé mécaniquement à ladite turbine de détente (71), ledit compresseur additionnel (73) étant en parallèle du compresseur principal (3) au sein dudit circuit de climatisation (1). 2. Circuit de climatisation (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le couplage mécanique entre la turbine de détente (71) et le compresseur additionnel (73) est réalisé par un arbre de transmission (75) reliant ladite turbine de détente (71) et ledit compresseur additionnel (73). 3. Circuit de climatisation (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier échangeur de chaleur (5) est un condenseur. 4. Circuit de climatisation (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième échangeur de chaleur (9) est un évaporateur. 5. Circuit de climatisation (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sorties de fluide réfrigérant du compresseur principal (3) et du compresseur additionnel (73) sont toutes deux connectées à un premier noeud de raccordement (101) situé en amont du premier échangeur de chaleur (5) et que les entrées de fluide réfrigérant du compresseur principal (3) et du compresseur additionnel (73) sont toutes deux connectées à un deuxième noeud de raccordement (102) situé en aval du premier échangeur de chaleur (5). 6. Circuit de climatisation (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cylindrée de la turbine de détente (71) est comprise entre 1 et 2,5 fois la cylindrée du compresseur additionnel (73). 7. Circuit de climatisation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un accumulateur déshumidifiant (11) placé en amont du compresseur principal (3) et du compresseur additionnel (73). 8. Circuit de climatisation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte également un échangeur de chaleur interne (13) entre le fluide réfrigérant en sortie du premier échangeur de chaleur (5) et le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur de chaleur (9). 9. Circuit de climatisation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant est du dioxyde de carbone. 10. Véhicule automobile comportant un circuit de climatisation (1) selon l'une des revendications précédentes.