Brevet FR3067795A1 — publié le 20181221

INSTALLATION THERMIQUE POUR VEHICULE AUTOMOBILE ETABLISSANT UNE SYNERGIE ENTRE UN CIRCUIT DE REFRIGERATION ET UN CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT [0001] La présente invention porte sur une installation thermique pour véhicule automobile établissant une synergie entre un circuit de réfrigération et un circuit de refroidissement. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des véhicules automobiles de type hybride comportant un moteur thermique associé à une machine électrique de traction. [0002] Les véhicules automobiles comportent généralement des échangeurs de chaleur destinés à refroidir ou réchauffer les fluides nécessaires à leur fonctionnement. Ces véhicules ayant un moteur thermique comportent ainsi différents échangeurs de chaleur associés notamment à différents circuits de refroidissement, en particulier le circuit de refroidissement du moteur essentiellement constitué par une boucle de refroidissement traversant la culasse et le carter cylindres, dans laquelle circule un fluide réfrigérant, tel qu'un mélange d'antigel et d'eau, qui s'échauffe en traversant le moteur et est refroidi en traversant un radiateur, typiquement disposé en façade avant du véhicule, à proximité immédiate, vu du flux d'air extérieur le traversant, d'un groupe moto-ventilateur (GMV) situé à l'avant ou à l'arrière du radiateur. Le fluide passe également à travers un aérotherme pour assurer le chauffage de l'habitacle du véhicule. [0003] En outre, un circuit de réfrigération fonctionnant en boucle fermée est utilisé pour la climatisation. Il comporte un évaporateur au sein duquel le fluide réfrigérant absorbe la chaleur de l'air habitacle en changeant d'état physique, c'est-à-dire en passant en phase gazeuse. Avant de traverser l'évaporateur, le gaz frigorigène passe dans un détendeur. En sortie de l'évaporateur, le gaz frigorigène circule dans les canalisations jusqu'à un compresseur dans lequel il est comprimé. Le gaz frigorigène haute pression en sortie du compresseur est introduit dans un condenseur au sein duquel le gaz frigorigène cède sa chaleur à l'air extérieur traversant le condenseur grâce à l'avancement du véhicule et/ou au fonctionnement du groupe moto-ventilateur. Ce faisant, le fluide réfrigérant change à nouveau d'état physique et repasse en phase liquide. En sortie du condenseur, le fluide réfrigérant s'achemine à travers les canalisations jusqu'à l'évaporateur en traversant au préalable le détendeur. 2 [0004] Par climat tempéré, lorsqu'il est nécessaire de déshumidifier l'habitacle, notamment dans les modes de traction électriques, il est nécessaire d'alimenter le compresseur électrique de climatisation afin d'assécher l'air de l'habitacle tout en alimentant un chauffage électrique de forte puissance électrique du circuit de 5 refroidissement afin de maintenir une température adaptée dans l'habitacle. Cela pose toutefois un problème de consommation électrique engendrant une diminution de l'autonomie du véhicule hybride en mode électrique. [0005] Par ailleurs, dans le cas d'un fonctionnement du véhicule par climat chaud, une condensation insuffisante du gaz frigorigène pénalise les performances de réfrigération et 10 engendre l'utilisation fréquente du groupe moto-ventilateur qui est une source de nuisance acoustique. De plus, l'utilisateur perçoit une qualité médiocre du dispositif de réfrigération du véhicule. [0006] L'invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant une installation thermique pour moteur thermique, notamment d'un véhicule automobile, 15 comportant: - un circuit de refroidissement d'un liquide comportant un radiateur pour refroidir le liquide ayant traversé le moteur thermique, une pompe associée au moteur thermique, et un aérotherme, - un circuit de réfrigération de fluide réfrigérant comportant un évaporateur dans lequel le 20 fluide réfrigérant absorbe une chaleur en changeant d'état physique pour se transformer en gaz frigorigène, un compresseur pour comprimer le gaz frigorigène issu de l'évaporateur, et un condenseur au sein duquel le gaz frigorigène cède sa chaleur à un air extérieur, caractérisée en ce que ladite installation thermique comporte en outre un échangeur de chaleur entre le fluide réfrigérant du circuit de réfrigération et le liquide du 25 circuit de refroidissement. [0007] L'invention permet ainsi, grâce à la synergie entre le circuit de réfrigération et le circuit de refroidissement établie par l'implantation de l'échangeur de chaleur, de récupérer la chaleur issue du travail du compresseur activé pour assécher l'air de l'habitacle afin d'assurer le chauffage de l'habitacle. On limite ainsi la consommation électrique du 30 véhicule, ce qui permet d'obtenir une meilleure autonomie du véhicule en mode électrique pour les climats frais à fortes occurrences. [0008] L'invention permet en outre, par climat chaud, de disposer en plus du condenseur du circuit de réfrigération, d'un deuxième étage de condensation grâce à l'échangeur fluide 3 réfrigérant/liquide du circuit de refroidissement. On obtient ainsi une meilleure condensation du fluide réfrigérant et donc une meilleure performance de réfrigération, notamment pour le mode électrique. [0009] Selon une réalisation, l'échangeur de chaleur est installé en aval du compresseur 5 du circuit de réfrigération. [0010] Selon une réalisation, l'installation thermique comporte un conduit de court-circuit du condenseur du circuit de réfrigération. [0011] Selon une réalisation, le conduit de court-circuit est associé à un système d'électrovannes apte à prendre sélectivement: 10 - un premier état dans lequel le fluide réfrigérant passe dans le conduit de court-circuit sans passer par le condenseur pour injecter des calories du fluide réfrigérant en sortie du compresseur dans le circuit de refroidissement, ou - un deuxième état dans lequel le fluide réfrigérant passe par le condenseur pour permettre une condensation du fluide réfrigérant. 15 [0012] Selon une réalisation, l'échangeur de chaleur est positionné de façon à disposer, pour un climat chaud, de deux étages de condensation en série constitués par l'échangeur de chaleur et le condenseur du circuit de réfrigération. [0013] Selon une réalisation, l'installation thermique est configurée de telle façon qu'une évacuation de calories permettant la condensation du fluide réfrigérant dans l'échangeur 20 de chaleur est effectuée par l'intermédiaire de l'aérotherme et/ou le radiateur du circuit de refroidissement. [0014] Selon une réalisation, l'installation thermique est configurée de telle façon que, lors d'un mode de fonctionnement électrique du véhicule automobile, une condensation du fluide réfrigérant par l'échangeur de chaleur est optimisée par une alimentation d'un circuit 25 d'eau long passant par le moteur thermique et le radiateur du circuit de refroidissement. [0015] L'invention a également pour objet un véhicule automobile comportant une installation thermique telle que définie précédemment. [0016] Selon une réalisation, le véhicule automobile est de type hybride. 4 [0017] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0018] La figure 1 est une représentation schématique illustrant une installation 5 thermique pour un moteur thermique de véhicule automobile selon la présente invention; [0019] Les figures 2 à 6 sont des représentations schématiques illustrant le fonctionnement de l'installation thermique selon la présente invention pour différentes situations de vie. [0020] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence 10 d'une figure à l'autre. [0021] La figure 1 représente une installation thermique 10 pour un moteur thermique 11 de véhicule automobile. [0022] Un circuit de refroidissement 12 d'un liquide, tel qu'un mélange d'antigel et d'eau, comporte une pompe 13 associée au moteur thermique 11, un radiateur 14 pour refroidir 15 le liquide ayant traversé le moteur 11, un dispositif de chauffage électrique 16 pour réchauffer le liquide en cas de basse température, et un aérotherme 18 pour assurer le chauffage de l'habitacle du véhicule. Un groupe moto-ventilateur 19 (ou GMV) pourra être situé à l'avant ou à l'arrière du radiateur 14 afin d'optimiser l'évacuation des calories. [0023] Le circuit de refroidissement 12 assure ainsi un refroidissement du moteur 20 thermique 11. [0024] Ce circuit de refroidissement 12 pourra également assurer le refroidissement d'autres organes tels qu'une machine électrique de traction, une batterie, ou des composants électroniques de commande. [0025] Le liquide pourra circuler, dans le circuit de refroidissement 12, soit suivant un 25 circuit long Cl dans lequel le liquide traverse le moteur 11, la pompe 13, le dispositif de chauffage électrique 16, l'aérotherme 18, et le radiateur 14; soit suivant un circuit court 02 dans lequel le liquide traverse la pompe 13, le dispositif de chauffage électrique 16 et l'aérotherme 18 sans passer par le moteur thermique 11 ni le radiateur 14. [0026] En outre, un circuit de réfrigération 20 fonctionnant en boucle fermée et utilisé 30 pour la climatisation comporte un évaporateur 21 au sein duquel un fluide réfrigérant 5 absorbe la chaleur de l'air de l'habitacle en changeant d'état physique, c'est-à-dire en passant en phase gazeuse pour se transformer en gaz frigorigène. Avant d'avoir traversé l'évaporateur 21, le fluide réfrigérant passe dans un détendeur 22. En sortie de l'évaporateur 21, le fluide réfrigérant circule dans les canalisations jusqu'à un compresseur 5 23 dans lequel il est comprimé. Le fluide réfrigérant haute pression en sortie du compresseur 23 est introduit dans un condenseur 25 au sein duquel le fluide réfrigérant cède sa chaleur à l'air extérieur traversant le condenseur 25 grâce à l'avancement du véhicule et/ou au fonctionnement du groupe moto-ventilateur 19. Ce faisant, le fluide réfrigérant change à nouveau d'état physique et repasse en phase liquide. En sortie du 10 condenseur 25, le fluide réfrigérant s'achemine à travers les canalisations jusqu'à l'évaporateur 21 en traversant au préalable le détendeur 22. [0027] L'aérotherme 18 du circuit de refroidissement 12 et l'évaporateur 21 du circuit de réfrigération 20 sont intégrés dans le climatiseur du véhicule. Les autres éléments des circuits de refroidissement 12 et de réfrigération 20 sont implantés en sous-capot du 15 véhicule. [0028] L'installation thermique 10 comporte en outre un échangeur de chaleur 27 entre le fluide réfrigérant du circuit de réfrigération 20 et le liquide du circuit de refroidissement 12. L'échangeur 27 est implanté en sous capot et avantageusement installé en aval du compresseur 23 du circuit de réfrigération 20. 20 [0029] Par ailleurs, un conduit de court-circuit 29 du condenseur 25 est associé à un système d'électrovannes 30 apte à prendre sélectivement: - un premier état dans lequel le fluide réfrigérant passe dans le conduit de court-circuit 29 sans passer par le condenseur 25 pour injecter efficacement des calories du fluide réfrigérant en sortie du compresseur 23 dans le circuit de refroidissement 12, ou 25 - un deuxième état dans lequel le fluide réfrigérant passe par le condenseur 25 pour permettre la condensation du fluide réfrigérant par l'échangeur 27 pour les climats tempérés. [0030] A cet effet, on peut par exemple utiliser deux électrovannes 31 pilotées électriquement et installées en amont et en aval du condenseur 25. La première 30 électrovanne 31 présente une entrée connectée en sortie de l'échangeur 27 et deux sorties connectées respectivement au condenseur 25 et au conduit de court-circuit 29. La deuxième électrovanne 31 présente deux entrées connectées respectivement au 6 condenseur 25 et au conduit de court-circuit 29, et une sortie connectée à l'entrée du détendeur 22 qui pourra être électronique ou thermostatique. [0031] On décrit ci-après, en référence avec les figures 2 à 6, le fonctionnement de l'installation thermique 10 selon l'invention. 5 [0032] Suivant une première situation de vie représentée sur la figure 2, lorsque la température à l'extérieur du véhicule est inférieure à une température seuil, par exemple de -10°C, le véhicule fonctionne en mode thermique seul. Le mode électrique est non autorisé en raison de la prestation thermique de l'habitacle à remplir. Dans ce cas, le compresseur 23 du circuit de réfrigération 20 est désactivé. Le liquide circule suivant le 10 circuit long Cl alors que le dispositif de chauffage 16 est activé pour améliorer la prestation de chauffage dans l'habitacle. [0033] Suivant une deuxième situation de vie, lorsque la température à l'extérieur du véhicule est comprise par exemple entre la première température seuil de l'ordre de -10°C et la deuxième température seuil par exemple de l'ordre de 3°C, le véhicule peut 15 fonctionner en mode thermique ou en mode électrique. [0034] Dans le mode thermique, le compresseur 23 du circuit de réfrigération 20 est désactivé. Le liquide circule suivant le circuit long Cl de sorte que le moteur thermique 11 apporte de la chaleur au liquide et donc à l'habitacle via l'aérotherme 18. Le cas échéant, pour les températures les plus basses, le dispositif de chauffage électrique 16 pourra 20 également être activé. Cela est illustré également par la figure 2. [0035] Dans le mode électrique, comme cela est illustré par la figure 3, le moteur thermique 11 est arrêté, et le compresseur 23 est désactivé pour éviter sa détérioration par le froid. Le dispositif de chauffage 16 est alors activé pour chauffer le liquide du circuit de refroidissement 12 qui circule suivant le circuit court C2 en court-circuitant le moteur 25 thermique 11. Cela permet de transmettre des calories à l'aérotherme 18 pour chauffer l'habitacle. [0036] Suivant une troisième situation de vie, la température à l'extérieur du véhicule est supérieure à la deuxième température seuil de l'ordre de 3°C, et il est nécessaire de déshumidifier l'air de l'habitacle tout en assurant un chauffage de l'habitacle. On distingue 30 un mode de fonctionnement thermique du véhicule et un mode de fonctionnement électrique du véhicule. 7 [0037] Comme cela est illustré par la figure 4, dans le mode thermique, le compresseur 23 ainsi que l'évaporateur 21 du circuit de réfrigération 20 sont activés pour assurer une déshumidification de l'air de l'habitacle. En outre, les électrovannes 31 sont dans un état permettant au fluide réfrigérant de court-circuiter le condenseur 25 en passant par le 5 conduit 29. L'échangeur 27 permet de récupérer efficacement une partie de la puissance générée par le compresseur 23 dans le circuit de refroidissement 12 pour le chauffage de l'habitacle. Cela autorise à désactiver le dispositif de chauffage 16 pour limiter la consommation électrique. [0038] Comme cela est illustré par la figure 5, dans le mode électrique, le 10 fonctionnement est analogue sauf que le moteur thermique 11 est arrêté. Lors de l'activation du circuit de réfrigération 20 pour déshumidifier l'air de l'habitacle, on récupère donc également, via l'échangeur 27, des calories issues du compresseur 23 pour le chauffage de l'habitacle. Cela permet d'optimiser la consommation électrique pour chauffer le liquide du circuit de refroidissement 12 et donc l'autonomie du mode électrique par 15 climat frais. [0039] En fonction de la température à l'extérieur du véhicule, le liquide peut circuler à travers le circuit court C2, notamment pour les températures les plus basses, afin d'assurer une montée en température du circuit de refroidissement 12 la plus rapide possible compte tenu du volume réduit de liquide dans le circuit court C2 (de l'ordre de 3 à 20 4 Litres). [0040] Le liquide du circuit de refroidissement 12 circule à travers le circuit long Cl, notamment pour les températures les moins basses par exemple comprises entre 15°C et 30°C. [0041] Le dispositif de chauffage 16 peut être activé ou non activé en fonction du besoin 25 de chauffage et de la puissance récupérée via le compresseur 23 et l'échangeur 27. [0042] Suivant une quatrième situation de vie représentée sur la figure 6, la température à l'extérieur du véhicule est élevée, c'est-à-dire que la température est supérieure à une troisième température seuil, par exemple de l'ordre de 30°C, et il existe un besoin important de refroidissement de l'habitacle. 30 [0043] Dans le mode de fonctionnement thermique ainsi que dans le mode de fonctionnement électrique du véhicule, le dispositif de chauffage 16 est bien entendu 8 désactivé et le système à électrovannes 30 présente un état autorisant le passage du fluide réfrigérant à l'intérieur du condenseur 25. On dispose ainsi de deux étages de condensation constitués respectivement par l'échangeur 27 et le condenseur habituel 25, ce qui permet d'optimiser la performance de réfrigération de l'installation 10. 5 [0044] Dans le mode thermique, le liquide du moteur 11 circule suivant le circuit long Cl pour traverser le radiateur de refroidissement 14. [0045] Dans le mode électrique, le liquide pourra circuler suivant le circuit court 02. Toutefois, avantageusement, le liquide circule suivant le circuit long Cl pour augmenter la capacité de refroidissement du fluide réfrigérant par le liquide du circuit de refroidissement 10 12 à l'intérieur de l'échangeur 27. L'évacuation des calories permettant la condensation du fluide réfrigérant dans l'échangeur 27 est effectuée alors par l'intermédiaire de l'aérotherme 18 et/ou REVENDICATIONS1. Installation thermique (10) pour moteur thermique (11), notamment d'un véhicule automobile, comportant: - un circuit de refroidissement (12) d'un liquide comportant un radiateur (14) pour refroidir le liquide ayant traversé le moteur thermique (11), une pompe (13) associée au moteur thermique (11), et un aérotherme (18), - un circuit de réfrigération (20) de fluide réfrigérant comportant un évaporateur (21) dans lequel le fluide réfrigérant absorbe une chaleur en changeant d'état physique pour se transformer en gaz frigorigène, un compresseur (23) pour comprimer le gaz frigorigène issu de l'évaporateur (21), et un condenseur (25) au sein duquel le gaz frigorigène cède sa chaleur à un air extérieur, caractérisée en ce que ladite installation thermique (10) comporte en outre un échangeur de chaleur (27) entre le fluide réfrigérant du circuit de réfrigération (20) et le liquide du circuit de refroidissement (12). 2. Installation thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (27) est installé en aval du compresseur (23) du circuit de réfrigération (20). 3. Installation thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un conduit de court-circuit (29) du condenseur (25) du circuit de réfrigération (20). 4. Installation thermique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le conduit de court-circuit (29) est associé à un système d'électrovannes (30) apte à prendre sélectivement: - un premier état dans lequel le fluide réfrigérant passe dans le conduit de court-circuit (29) sans passer par le condenseur (25) pour injecter des calories du fluide réfrigérant en sortie du compresseur (23) dans le circuit de refroidissement (12), ou - un deuxième état dans lequel le fluide réfrigérant passe par le condenseur (25) pour permettre une condensation du fluide réfrigérant. 5. Installation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (27) est positionné de façon à disposer, pour un climat chaud, de deux étages de condensation en série constitués par l'échangeur de chaleur (27) et le condenseur (25) du circuit de réfrigération (20). 10 6. Installation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle est configurée de telle façon qu'une évacuation de calories permettant la condensation du fluide réfrigérant dans l'échangeur de chaleur (27) est effectuée par l'intermédiaire de l'aérotherme (18) et/ou le radiateur (14) du circuit de refroidissement 5 (12). 7. Installation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle est configurée de telle façon que, lors d'un mode de fonctionnement électrique du véhicule automobile, une condensation du fluide réfrigérant par l'échangeur de chaleur (27) est optimisée par une alimentation d'un circuit d'eau long 10 (Cl) passant par le moteur thermique (11) et le radiateur (14) du circuit de refroidissement (12). 8. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte une installation thermique (10) telle que définie selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Véhicule automobile selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est de type 15 hybride.