Brevet FR3052854A1 — publié le 20171222

SYSTEME ET PROCEDE DE REFRIGERATION PAR COMPRESSION A PISTON LIQUIDE [1] L'invention concerne un procédé de compression liquide pour système de climatisation ou de réfrigération, notamment destiné à une mise en oeuvre dans un véhicule automobile. [2] De manière connue, de nombreux véhicules automobiles comportent un système de climatisation ou un système autonome de réfrigération. De plus, un système de climatisation nécessite la présence d'un système de réfrigération, apte à rafraîchir l'air de l'habitacle via un échange thermique avec un fluide réfrigérant. [3] L'état de la technique comprend différents systèmes de réfrigération, notamment mis en oeuvre dans des véhicules automobiles. La plupart de des systèmes reposent sur l'utilisation de compresseurs électriques ou mécaniques et dérivent en général de systèmes de réfrigération conçus pour une utilisation sédentaire, simplement adaptés en vue d'être embarqués dans des véhicules automobiles. [4] Les inconvénients bien connus de ces systèmes résident dans leur coût élevé, leur masse et l'encombrement qu'ils suscitent. [5] Or, il est également connu, sans que cette technologie ait été conçue pour une utilisation dans le monde de l'automobile, une technologie de réfrigération par compression à piston liquide, décrite dans le document FR 2929381. Le principe du procédé de compression à piston liquide réside dans la réalisation d'une compression de fluide frigorigène - ou fluide réfrigérant - à l'aide d'une pompe qui entraine un liquide - ou fluide de compression - dans un réservoir. De complexité technique réduite, ce procédé de compression à piston liquide présente un rendement adapté pour réaliser des puissances frigorifiques modestes. [6] Cependant, la mise en oeuvre d'une compression à piston liquide, telle que décrite dans le document FR 2929381, nécessite la présence d'une pluralité de pompes et l'interconnexion des différents éléments du système par l'intermédiaire d'un nombre assez important de vannes, afin de remplir et vider alternativement deux réservoirs contenant du fluide réfrigérant et du fluide de compression. 3052854 2 [7] Pour pallier l'inconvénient lié à la nécessité de mettre en oeuvre plusieurs pompes, l'utilisation d'une pompe réversible pourrait être envisagée, mais la mise en oeuvre d'une pompe réversible engendre une complexité technique accrue car le couple débit/pression requis pour réaliser la compression à piston liquide, comme décrit dans le 5 document FR 2929381, n'est pas compatible avec une pompe fonctionnant dans les deux sens. [8] L'invention vise donc à résoudre ces inconvénients en proposant un système de réfrigération permettant de réaliser une compression par compression à piston liquide avec un seul élément actif, consistant en une pompe travaillant dans un seul sens de 10 pompage. [9] Le système selon l'invention est ainsi adapté, au regard de celui décrit dans le document FR 2929381, en particulier en modifiant sa structure et son agencement de façon à exploiter la force de gravité et la pression résiduelle dans le réservoir du haut, contenant du fluide réfrigérant et du fluide de compression, afin de permettre la vidange 15 dudit réservoir. [0010] A cette fin, plus précisément, la présente invention concerne un système de réfrigération par compression à piston liquide, comprenant : un premier réservoir contenant, en fonctionnement, du fluide de compression liquide et du fluide réfrigérant, 20 un deuxième réservoir contenant, en fonctionnement, du fluide de compression liquide et du fluide réfrigérant, ledit deuxième réservoir étant disposé au-dessus du premier réservoir et étant relié fluidiquement audit premier réservoir de façon à permettre la vidange, dans le premier réservoir, du fluide de compression contenu dans le deuxième réservoir, sous l'effet de la gravité, à 25 travers une vanne de vidange pilotée, et de façon à permettre la réception, dans le second réservoir, de fluide réfrigérant à comprimer, issu dudit premier réservoir, à travers une seconde vanne pilotée, un condenseur apte à recevoir du fluide réfrigérant expulsé du deuxième réservoir sous forme gazeuse, sous l'effet du remplissage dudit deuxième 30 réservoir par du fluide de compression liquide, un évaporateur apte à aspirer du fluide réfrigérant en phase gazeuse depuis le condenseur, à travers un détendeur, 3052854 3 le premier réservoir étant apte à aspirer le fluide réfrigérant, à basse pression, depuis l'évaporateur, et le système de réfrigération par compression à piston liquide comprenant une pompe unidirectionnelle configurée pour aspirer du fluide de compression liquide du premier réservoir et le reverser dans le deuxième réservoir. 5 [0011] Grâce à l'invention, il est proposé un système de réfrigération, adapté pour être embarqué dans un véhicule automobile, d'encombrement réduit, comprenant un seul élément actif, à savoir une pompe unidirectionnelle. [0012] Avantageusement, la vanne de vidange est pilotée de façon à bloquer la vidange du deuxième réservoir dans le premier réservoir lorsque la pompe est active et à permettre 10 la vidange du deuxième réservoir dans le premier réservoir lorsque la pompe est à l'arrêt. [0013] Selon un mode de réalisation, la vanne de vidange est pilotée par la pression du fluide de compression traversant la pompe. [0014] Selon un autre mode de réalisation, la vanne de vidange est pilotée par la vitesse du fluide de compression en sortie de la pompe. 15 [0015] Selon un mode de réalisation, le système de réfrigération comprend par ailleurs un premier clapet anti-retour disposé entre le deuxième réservoir et le condenseur. [0016] Selon un mode de réalisation, le système de réfrigération comprend par ailleurs un deuxième clapet anti-retour disposé entre l'évaporateur et le premier réservoir. [0017] Avantageusement, la pompe est disposée dans le premier réservoir. De cette 20 façon, le risque de fuite est réduit. [0018] La présente invention vise également un procédé de réfrigération mis en oeuvre par un système de réfrigération par compression à piston liquide selon l'une des revendications précédentes, ledit procédé de réfrigération comprenant : une première phase durant laquelle la pompe unidirectionnelle transfère du 25 fluide de compression liquide du premier réservoir au deuxième réservoir, la vanne de vidange et la seconde vanne pilotée étant fermées, la diminution de la pression dans ledit premier réservoir provoquant l'aspiration de fluide réfrigérant depuis l'évaporateur vers ledit premier réservoir et l'augmentation de 3052854 4 la pression dans le deuxième réservoir provoquant l'expulsion de fluide réfrigérant vers le condenseur, une deuxième phase durant laquelle la pompe est à l'arrêt, la vanne de vidange étant ouverte pour permettre le passage de fluide de compression entre les 5 deuxième et premier réservoirs, la seconde vanne pilotée étant ouverte pour permettre le passage de fluide réfrigérant entre les premier et deuxième réservoirs, le fluide réfrigérant sous forme gazeuse, s'échappant vers le haut pour être transféré du premier réservoir vers le deuxième réservoir, et le fluide de compression liquide étant transféré du deuxième réservoir vers le premier 10 réservoir sous l'effet la gravité et la pression résiduelle de gaz comprimé dans ledit deuxième réservoir. [0019] La présente invention vise par ailleurs un système de climatisation comprenant un système de réfrigération tel que brièvement décrit ci-dessus. [0020] La présente invention vise également un véhicule automobile comprenant un 15 système de réfrigération tel que brièvement décrit ci-dessus. [0021] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement, et en référence aux dessins qui montrent : - la figure 1, le schéma d'un système de réfrigération par compression à piston 20 liquide, selon l'état de la technique ; - la figure 2, le schéma d'un mode de réalisation d'un système de réfrigération selon l'invention. [0022] Dans ce qui va suivre, les modes de réalisation décrits s'attachent plus particulièrement à une mise en oeuvre du système selon l'invention au sein d'un véhicule 25 automobile. Cependant, toute mise en oeuvre dans un contexte différent, en particulier dans tout type de système de réfrigération, est également visée par la présente invention. [0023] La figure 1 représente un système de réfrigération par compression à piston liquide, selon l'état de la technique. 3052854 5 [0024] Le système de réfrigération comprend deux pompes 110 et 120 configurées pour pomper alternativement le fluide de compression 1201, 1301 des réservoirs 1200 et 1300. [0025] Les vannes électriques 11 et 12 préviennent toute fuite de fluide de compression dans le sens opposé au fonctionnement de chaque pompe 110, 120, respectivement. 5 [0026] Le fluide réfrigérant 1202, 1302 est expulsé en phase gazeuse vers le condenseur 20 à haute pression au travers de clapets anti-retours 22 et 32. [0027] Le fluide réfrigérant est ensuite aspiré en phase gazeuse depuis l'évaporateur 30, à basse pression, au travers de clapets anti-retours 21 et 31. Le fluide réfrigérant voit au passage sa pression réduite à travers la vanne 13, située entre le condenseur 20 et 10 l'évaporateur 30, ladite vanne 13 assurant la fonction de détendeur. [0028] Il est à noter qu'un tel système de réfrigération 1 comprend une réserve de fluide réfrigérant (non représenté). Il est précisé par ailleurs que le fluide réfrigérant peut connaître ou non, selon le mode de réalisation, un changement de phase entre les deux échangeurs thermiques (non représentés), situés respectivement en amont et en aval du 15 système de réfrigération 1. [0029] La figure 2 représente un système de réfrigération selon l'invention. [0030] Le réservoir 2300 est situé au-dessus du réservoir 2200. Conformément à l'invention, la force de gravité constitue le moteur de la vidange du réservoir 2300 vers le réservoir 2200. 20 [0031] La pompe 210 est configurée pour pomper le fluide de compression liquide 2201 du premier réservoir 2200 vers le deuxième réservoir 2300. [0032] La vanne de vidange 14 est placée sur une liaison fluidique dédiée au fluide de compression entre le deuxième réservoir 2300 et le premier réservoir 2200. Ladite vanne de vidange 14 est configurée pour prévenir toute fuite de fluide de compression en 25 provenance du deuxième réservoir 2300 lorsque la pompe fonctionne. Lorsque la pompe 210 est à l'arrêt, la vanne de vidange 14 s'ouvre. [0033] De façon similaire, la seconde vanne pilotée 15 est placée sur une liaison fluidique dédiée au fluide réfrigérant entre le premier réservoir 2300 et le deuxième 3052854 6 réservoir 2200. Ladite seconde vanne pilotée 15 est configurée pour permettre le contrôle du passage de fluide réfrigérant du premier réservoir 2200 au deuxième réservoir 2300. [0034] Lorsque la pression dans le deuxième réservoir 2300 est adaptée, c'est-à-dire lorsque la quantité de fluide de compression liquide contenue dans le deuxième réservoir 5 2300 est adéquate, le fluide réfrigérant 2302 est expulsé en phase gazeuse vers le condenseur 20, à haute pression, au travers du clapet anti-retour 22. [0035] Le fluide réfrigérant est ensuite aspiré en phase gazeuse, depuis l'évaporateur 30, dans le premier réservoir 2202, à basse pression, au travers du clapet anti-retour 21. Le fluide réfrigérant voit sa pression réduite à travers la vanne 13, située entre le 10 condenseur 20 et l'évaporateur 30, ladite vanne 13 assurant la fonction de détendeur. [0036] Dans le système de réfrigération 10, selon l'invention, la vanne de vidange 14 peut, selon le mode de réalisation retenu, être actionnée par la pression ou par la vitesse du fluide de compression en sortie de la pompe 210, par exemple. [0037] Selon l'invention, le procédé de réfrigération mis en oeuvre par un système de 15 réfrigération tel que celui représenté schématiquement à la figure 2, comprend par conséquent deux phases. [0038] Il est à noter que, selon un mode de réalisation du système de réfrigération selon l'invention, la pompe 210 est intégrée dans le premier réservoir 2200, permettant ainsi de 20 réduire le risque de fuite. [0039] Selon un mode de réalisation du système de réfrigération selon l'invention, il est également prévu des moyens de contrôle d'une fuite de fluide de compression en aval de la pompe 210, ladite fuite étant calibrée pour permettre le retour de fluide de compression vers le premier réservoir 2200, sans empêcher le remplissage du deuxième réservoir 25 2300. [0040] Par ailleurs, selon un mode de réalisation possible, les premier 2200 et deuxième 2300 réservoirs sont solidaires d'une pièce de liaison commune, adaptée pour limiter les risques de fuite. 3052854 7 [0041] En outre, les clapets 21 et 22, représentés sur la figure 2, peuvent être intégrés directement sur les premier 2200 et deuxième 2300 réservoirs, respectivement, pour limiter les risques de fuite. 5 1 ère phase du procédé de réfrigération selon l'invention : [0042] Durant la première phase, dite de compression / aspiration, le liquide de compression remplit majoritairement le premier réservoir 2200. Le deuxième réservoir 2300 présente ainsi, initialement, un volume minimal de fluide de compression liquide. [0043] La pompe 210 est mise en action, par exemple électriquement, de telle façon que 10 le niveau de fluide de compression liquide dans le premier réservoir 2200 diminue. Le fluide de compression pompé dans le premier réservoir 2200 est reversé dans le deuxième réservoir 2300. Selon un mode de réalisation, en remontant vers le deuxième réservoir 2300, le fluide de compression ferme la vanne de vidange 14 de façon à empêcher la redescente de fluide de compression ou de fluide réfrigérant vers le premier 15 réservoir 2200. La seconde vanne pilotée 15, de la même façon, est fermée pour empêcher la fuite de fluide réfrigérant. [0044] Le niveau de fluide de compression liquide dans le premier réservoir diminuant, la pression dans ledit premier réservoir 2200 baisse, provoquant l'aspiration de fluide réfrigérant à travers la vanne 21 depuis l'évaporateur 30. 20 [0045] En parallèle, le niveau de fluide de compression liquide augmente dans le deuxième réservoir 2300, entraînant la compression du fluide réfrigérant qui est expulsé via la vanne 22 vers le condenseur 20. [0046] Une fois atteint le niveau maximum de remplissage du deuxième réservoir 2300 par du fluide de compression liquide, ou une fois atteint le niveau minimum de remplissage 25 du premier réservoir 2200 par du fluide de compression liquide, ou une fois atteint un temps de fonctionnement prédéterminé de la pompe, calculé de façon à ne pas dépasser ledit niveau maximum ni ledit niveau minimum, ou une fois atteint un niveau prédéterminé de pression dans le premier ou dans le deuxième réservoir, la pompe 210 est arrêtée. 3052854 8 2è" phase du procédé de réfrigération selon l'invention : [0047] Durant la deuxième phase, dite de transfert des fluides, la pompe 210 est arrêtée. La vanne de vidange 14 et la seconde vanne pilotée s'ouvrent pour permettre le passage de fluide de compression et de fluide réfrigérant entre les premier 2200 et deuxième 2300 5 réservoirs. [0048] Le fluide réfrigérant sous forme gazeuse, moins dense que le fluide de compression liquide, s'échappe vers le haut pour être transféré du premier réservoir 2200 vers le deuxième réservoir 2300, en vue de la compression suivante. [0049] La gravité et la pression résiduelle de gaz comprimé dans le deuxième réservoir 10 2300 pousse le fluide de compression liquide vers le bas, ledit fluide de compression liquide étant ainsi transféré du deuxième réservoir 2300 vers le premier réservoir 2200. Cette vidange du deuxième réservoir 2300, consistant à permettre le transfert de fluide de compression liquide du deuxième réservoir vers le premier réservoir est ainsi assurée au moyen de l'exploitation de la force de gravité, sans assistance d'aucune pompe. 15 [0050] Une fois atteint le niveau minimum de fluide de compression liquide dans le deuxième réservoir 2300, ou une fois atteint le niveau maximum de fluide de compression liquide dans le premier réservoir 2200, ou au terme d'un temps prédéterminé de vidange du deuxième réservoir, ou une fois atteinte une pression adéquate dans le premier 2200 ou dans le deuxième 2300 réservoir, la deuxième phase du procédé de réfrigération 20 s'achève et la première phase est relancée. REVENDICATIONS: 1. Système de réfrigération (10) par compression à piston liquide, comprenant : un premier réservoir (2200) contenant, en fonctionnement, du fluide de compression liquide (2201) et du fluide réfrigérant (2202), un deuxième réservoir (2300) contenant, en fonctionnement, du fluide de compression liquide (2301) et du fluide réfrigérant (2302), ledit deuxième réservoir (2300) étant disposé au-dessus du premier réservoir (2200) et étant relié fluidiquement audit premier réservoir (2200) de façon à permettre la vidange, dans le premier réservoir (2200), du fluide de compression contenu dans le deuxième réservoir (2300), sous l'effet de la gravité, à travers une vanne de vidange pilotée (14), et de façon à permettre la réception, dans le second réservoir (2300), de fluide réfrigérant à comprimer, issu dudit premier réservoir (2200), à travers une seconde vanne pilotée (15), un condenseur (20) apte à recevoir du fluide réfrigérant expulsé du deuxième réservoir (2300) sous forme gazeuse, sous l'effet du remplissage dudit deuxième réservoir par du fluide de compression liquide, un évaporateur (30) apte à aspirer du fluide réfrigérant en phase gazeuse depuis le condenseur, à travers un détendeur (13), le premier réservoir (2200) étant apte à aspirer le fluide réfrigérant, à basse pression, depuis l'évaporateur (30), et le système de réfrigération (10) par compression à piston liquide comprenant une pompe unidirectionnelle (210) configurée pour aspirer du fluide de compression liquide du premier réservoir (2200) et le reverser dans le deuxième réservoir (2300). 2. Système de réfrigération selon la revendication 1, dans lequel la vanne de vidange (14) est pilotée de façon à bloquer la vidange du deuxième réservoir (2300) dans le premier réservoir (2200) lorsque la pompe (210) est active et à permettre la vidange du deuxième réservoir (2300) dans le premier réservoir (2200) lorsque la pompe (210) est à l'arrêt. 3. Système de réfrigération selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la vanne de vidange (14) est pilotée par la pression du fluide de compression traversant la pompe (210). 3052854 10 4. Système de réfrigération selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel la vanne de vidange (14) est pilotée par la vitesse du fluide de compression en sortie de la pompe (210). 5 5. Système de réfrigération selon l'une des revendications précédentes, comprenant un premier clapet anti-retour (22) disposé entre le deuxième réservoir (2300) et le condenseur (20). 10 6. Système de réfrigération selon l'une des revendications précédentes, comprenant un deuxième clapet anti-retour (21) disposé entre l'évaporateur (30) et le premier réservoir (2200). 7. Système de réfrigération selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la 15 pompe (210) est disposée dans le premier réservoir (2200). 8. Procédé de réfrigération mis en oeuvre par un système de réfrigération par compression à piston liquide selon l'une des revendications précédentes, ledit procédé de réfrigération comprenant : 20 une première phase durant laquelle la pompe unidirectionnelle (210) transfère du fluide de compression liquide du premier réservoir (2200) au deuxième réservoir (2300), la vanne de vidange (14) et la seconde vanne (15) pilotée étant fermées, la diminution de la pression dans ledit premier réservoir (2200) provoquant l'aspiration de fluide réfrigérant depuis l'évaporateur (30) vers ledit 25 premier réservoir (2200) et l'augmentation de la pression dans le deuxième réservoir provoquant l'expulsion de fluide réfrigérant vers le condenseur (20), une deuxième phase durant laquelle la pompe (210) est à l'arrêt, la vanne de vidange (14) étant ouverte pour permettre le passage de fluide de compression entre les deuxième (2300) et premier (2200) réservoirs, la seconde vanne 30 pilotée (15) étant ouverte pour permettre le passage de fluide réfrigérant entre les premier (2200) et deuxième (2300) réservoirs, le fluide réfrigérant sous forme gazeuse, s'échappant vers le haut pour être transféré du premier réservoir (2200) vers le deuxième réservoir (2300), et le fluide de compression liquide étant transféré du deuxième réservoir (2300) vers le premier réservoir 3052854 11 (2200) sous l'effet la gravité et la pression résiduelle de gaz comprimé dans ledit deuxième réservoir (2300). 9. Système de climatisation comprenant un système de réfrigération selon l'une des 5 revendications 1 à 7. 10. Véhicule automobile comprenant un système de réfrigération (10) selon l'une des revendications 1 à 7.