SYSTEME DE CLIMATISATION D'AIR FONCTIONNANT SELON UN

CYCLE SUPERCRITIOUE UTILISABLE SUR LES VEHICULES

AUTOMOBILES

Domaine technique

L'invention se rattache au domaine des systèmes de climatisation utilisés sur les véhicules automobiles. Elle vise plus particulièrement des agencements particuliers du système de climatisation permettant d'optimiser les performances, tout en simplifiant le circuit du fluide réfrigérant, en particulier lorsque celui-ci fonctionne avec un cycle supercritique.

Techniques antérieures

De façon générale, et comme illustré à la figure 1, un groupe de climatisation 1 comporte quatre éléments principaux, à savoir un évaporateur 2, un compresseur 3, un échangeur refroidisseur de gaz ou condenseur 4, et un détendeur 5, reliés par un circuit parcouru par un fluide réfrigérant.

Le cycle thermodynamique d'un groupe de climatisation fonctionnant selon un cycle supercritique basique, tel qu'illustré en traits gras à la figure 2, comporte une première phase, correspondant à la transition entre les points Al et A2. Lors de cette première phase, l'évaporateur 2 capte les calories du circuit d'air de ventilation à refroidir 7, en restant à pression constante, de l'ordre de quelques bars. Le fluide réfrigérant qui a ainsi capté ces calories est ensuite comprimé dans un compresseur 3, lors de la phase correspondant à la transition entre les points A2 et A3. Le fluide comprimé pénètre ensuite dans le refroidisseur ou condenseur 4. Ce refroidisseur est un échangeur thermique, au niveau duquel le fluide réfrigérant cède une partie de sa chaleur au milieu extérieur 8, selon la phase correspondant sensiblement à la transition entre les points A3 et A4. Le fluide reste à une pression élevée, supérieure à la dizaine de bars. Puis, le fluide réfrigérant voit sa pression chuter par son passage dans le détendeur 5, correspondant à la phase de transition entre les points A4 et Al. Le fluide rentre alors dans l'évaporateur 2.

Parmi les critères qui gouvernent le choix d'un fluide réfrigérant figurent en particulier des questions de réglementation par rapport au respect de l'environnement. Ces critères ont conduit notamment à envisager le remplacement des fluides réfrigérants de type chlorofluorocarbone par des fluides tels que le dioxyde de carbone par exemple, qui permet de plus aux systèmes de climatisation de fonctionner suivant un cycle supercritique.

Dans les systèmes de climatisation fonctionnant selon un cycle supercritique, la température et la pression peuvent se situer au-delà du point critique, signifiant que le passage de l'état gazeux à l'état liquide n'est pas physiquement définissable. Parmi, les conséquences, l'organe par lequel les calories captées sont transmises au milieu extérieur n'est pas le siège d'un phénomène de condensation, mais simplement d'un refroidissement du fluide réfrigérant. Il n'y a donc pas de condensation dans l'échangeur de refroidissement du gaz. Ainsi, l'appellation de "condenseur", utilisée pour la définition d'un système de climatisation classique, n'est pas exacte d'un point de vue physique dans un système fonctionnant selon un cycle supercritique. Partant, dans le reste de la description, cet organe sera appelé "refroidisseur". Si l'emploi de systèmes fonctionnant selon des cycles supercritiques convient pour des raisons environnementales, il présente en revanche certaines contraintes en termes de dimensionnement. En effet, les pressions régnant dans le circuit du fluide réfrigérant sont fréquemment supérieures à 100 bars, pour des températures de l'ordre de 15O ⁰ C, voire plus. Les différents composants du circuit du fluide réfrigérant, et en particulier les canalisations et raccords, doivent donc être conçus et dimensionnés en conséquence.

De façon générale, l'efficacité d'un groupe de climatisation est évaluée par la mesure d'un coefficient de performance. Ce coefficient de performance est égal au ratio de la puissance prélevée sur le flux d'air de ventilation à refroidir, divisé par la puissance consommée par le compresseur.

Ainsi, pour obtenir un coefficient de performance satisfaisant avec l'emploi d'un système fonctionnant selon un cycle supercritique, il est nécessaire d'utiliser un dispositif complémentaire, appelé « échangeur interne » tel qu'il est décrit par exemple dans le document EP-I 316 450. Cet échangeur interne 9, tel qu'illustré à la figure 1, permet de refroidir le fluide réfrigérant à haute pression en sortie du refroidisseur 8, en transférant une partie de sa chaleur vers le fluide réfrigérant à basse pression sortant de l'évaporateur 2. Le cycle thermodynamique correspondant est illustré en traits pointillés à la figure 2. Le passage dans l'échangeur interne du fluide réfrigérant à basse pression sortant de l'évaporateur 2, correspond à la transition du point A2 au point A2'. Pendant cette phase, une quantité de chaleur est reçue depuis le fluide à haute pression en sortie du refroidisseur 8. La compression s'effectue entre les points A2' et A3', et se poursuit par le refroidissement au sein du refroidisseur 8 entre les points A3' et A4. Une chute de température complémentaire est obtenue par la traversée de l'échangeur interne 9, correspondant à la transition entre les points A4 et A4'. La traversée du détendeur 5 provoque une baisse de pression, entre les points A4' et Al '. Puis, le fluide se réchauffe à l'intérieur de l'évaporateur 2, entre les points Al ' et A2. Globalement, le coefficient de performance est amélioré grâce à cet échangeur interne 9, puisqu'il est égal au rapport des différences d'enthalpie entre les phases Al '-A2 et A2'-A3'.

On conçoit que l'emploi de cet échangeur interne, s'il est nécessaire pour obtenir un coefficient de performance satisfaisant, engendre cependant une complexification du circuit du fluide réfrigérant. Ceci est d'autant plus pénalisant qu'il entraîne des niveaux de température et de pression élevés. En effet, grâce à la chute de température du fluide en amont du détendeur 5, les échanges de chaleur dans l'évaporateur 2 sont plus efficaces, car le fluide réfrigérant se trouve à température moindre. Toutefois, cette amélioration des échanges dans l'évaporateur se traduit par une augmentation de la température du fluide à comprimer, au niveau de l'échangeur interne 9. Le fluide comprimé se retrouve donc dans le refroidisseur 4 à un niveau de température très élevé et à haute pression. Ceci engendre donc des contraintes en termes d'étanchéité et de tenue

des matériaux. L'emploi de composants complémentaires provoque également une augmentation du poids et du prix de revient du circuit global.

Exposé de l'invention Un des objectifs de l'invention est de permettre le fonctionnement du circuit de climatisation avec un coefficient de performance plus élevé que ceux mesurés sur les systèmes existants. Un autre objectif de l'invention est de simplifier le circuit du fluide réfrigérant, en réduisant le poids, le volume et par voie de conséquence le coût du circuit de climatisation. Un autre objectif est de diminuer le nombre de zones exposées aux risques de fuites et obligeant à un dimensionnement délicat. Un autre objectif de l'invention est de permettre des fonctionnements à des niveaux de pression moins élevés en ce qui concerne le fluide réfrigérant, de manière à réduire les pertes de charge internes, et permettre l'emploi de matériaux moins coûteux pour la réalisation des différents organes du circuit.

Ainsi, le système de climatisation conforme à l'invention se caractérise en ce qu'il comporte des moyens pour humidifier l'air extérieur utilisé pour refroidir le refroidisseur, et en ce qu'il est exempt d'échangeur interne.

Autrement dit, l'invention consiste à améliorer le refroidissement du fluide réfrigérant au niveau du refroidisseur, en provoquant un phénomène d'évaporation d'une certaine quantité d'eau introduite dans l'air extérieur venant au contact du refroidisseur, qui capte les calories dissipées par le refroidisseur. Dans une forme de réalisation particulière, cette eau peut être projetée à l'état de microgouttelettes au niveau du refroidisseur. De la sorte, la chaleur captée par ces microgouttelettes permet d'en vaporiser une certaine quantité, dans la limite de la saturation en vapeur de l'air au contact du refroidisseur. Ainsi, la température du fluide réfrigérant en sortie du refroidisseur est abaissée, avec pour conséquence qu'il est possible de s'affranchir de l'échangeur interne, utilisé dans les systèmes antérieurs pour délivrer au détendeur un fluide réfrigérant à température suffisamment basse. Cet abaissement de la température s'obtient sans l'inconvénient observé dans l'art

antérieur, qui était une augmentation de la température et de la pression du fluide avant son entrée dans le refroidisseur.

En d'autres termes, l'utilisation d'un phénomène d'évaporation au niveau de refroidisseur permet d'améliorer les performances de ce dernier, et par conséquent, le coefficient de performance de l'ensemble du système. L'amélioration du coefficient de performance est d'autant plus appréciable qu'elle est combinée à une réduction de la complexité du circuit du fluide réfrigérant, et plus précisément par l'élimination de l'échangeur interne nécessaire dans les systèmes de l'art antérieur. Cet avantage est encore accentué par le fait que la pression et/ou température maximales sont réduites. En effet, la phase de compression se fait à partir du point de rosée et non d'un point de température supérieure comme après passage dans l'échangeur interne de l'art antérieur, ce qui est favorable en termes de dimensionnement de l'installation de climatisation.

L'eau pulvérisée peut être projetée directement sur le refroidisseur, ou bien encore dans un flux d'air destiné à ventiler le refroidisseur. La ventilation peut être forcée, ou bien encore résulter d'une convection naturelle, en fonction des performances souhaitées et des puissances mises en jeu. Il est également possible d'utiliser des matériaux poreux humidifiés, connus sous l'appellation générale de « wetted média », qui peuvent être traversés par l'air de ventilation de manière à se charger en humidité qui est ensuite vaporisée au contact du refroidisseur.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens pour humidifier l'air au contact du refroidisseur peuvent être alimentés par la récupération de l'eau condensée au niveau de l'évaporateur. De la sorte, tout ou partie de l'eau produite au niveau de l'évaporateur peut être mise à profit et réutilisée pour refroidir le refroidisseur, conformément à l'invention. Dans le cas où la production d'eau au niveau de l'évaporateur est suffisante par rapport à la consommation pour le refroidissement du refroidisseur, l'autonomie peut être obtenue. Il est également possible d'assurer cette pulvérisation à partir d'une réserve indépendante et autonome.

Description sommaire des figures

La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées, dans lesquelles :

La figure 1 est un schéma simplifié d'un système de climatisation fonctionnant avec un fluide réfrigérant supercritique selon l'état de la technique.

La figure 2 est un diagramme enthalpie/pression sur lequel figurent de façon simplifié les étapes du cycle thermodynamique de systèmes de l'art antérieur.

La figure 3 est un schéma simplifié du système de climatisation conforme à l'invention.

La figure 4 est un diagramme enthalpie/pression sur lequel figurent de façon simplifiée les différentes étapes du cycle thermodynamique du fluide réfrigérant.

Manière de réaliser l'invention

Le système d'air conditionné illustré à la figure 3 comporte de manière classique un évaporateur 22 traversé par le flux d'air 27 à refroidir. Cet évaporateur 22 comporte un circuit interne relié au circuit du fluide réfrigérant 26. La sortie de l'évaporateur 22 est reliée à un compresseur 23 qui comprime ce fluide réfrigérant. L'étape de refroidissement se déroule dans des conditions de température et de pression situées au-delà du point critique du fluide, ce qui justifie le qualificatif de "supercritique". A titre d'exemple, le fluide utilisé suivant un cycle supercritique peut être du dioxyde de carbone, dont la pression et la température du point critique sont respectivement de 73 bars et 32 ⁰ C. Après refroidissement dans le refroidisseur 24, le fluide réfrigérant est détendu au niveau du détendeur 25 pour ensuite pénétrer à pression réduite dans l'évaporateur 22.

Conformément à l'invention, le refroidisseur 24 est associé à des moyens permettant d'humidifier l'air extérieur venant au contact du refroidisseur. Dans le mode de réalisation illustré, on pulvérise de l'eau liquide 32 dans l'air extérieur,

pour capter une partie de la chaleur dissipée par le refroidisseur 24, afin d'augmenter l'échange de chaleur au sein du refroidisseur 24. Cette pulvérisation peut intervenir directement sur le refroidisseur 24 lui-même, ou préférentiellement dans le flux d'air 28 qui sera amené par ventilation au contact du refroidisseur 24. Grâce à ce refroidissement par évaporation, le système de climatisation possède un coefficient de performance satisfaisant, sans nécessiter l'adjonction d'un échangeur interne de chaleur employé sur les systèmes existants.

Conformément à une caractéristique de l'invention, l'eau 32 qui est utilisée au niveau du refroidisseur 2 peut être avantageusement récupérée au niveau de l'évaporateur 22, au niveau duquel se condense une partie de l'eau contenue dans le flux d'air de ventilation 27 à refroidir.

Comme illustré à la figure 3, cette eau 33 peut être recueillie par écoulement dans un collecteur 34, puis acheminée par une canalisation 35 appropriée à un réservoir 36. Le réservoir permet de gérer les éventuels écarts entre le débit de condensât et le débit nécessaire à l'humidification. Ce réservoir 36 peut éventuellement être alimenté par un apport d'eau extérieur via l'ouverture 37, pour amorcer le fonctionnement du dispositif lorsque la production d'eau de l'évaporateur 22 n'a pas été suffisante, ou que les conditions météorologiques ne le permettent pas. Ce réservoir 36 peut être équipé d'un capteur 38 du volume d'eau qu'il contient, l'information délivrée par ce capteur étant acheminée vers une unité de contrôle et de commande appropriée 40, assurant la gestion du système. Un mécanisme de vidange 41 et d'évacuation d'un trop-plein 42 peut également être prévu. La vidange 41 peut également être obtenue par l'ouverture d'une vanne 43 commandée par l'unité de contrôle commande déjà évoquée.

Pour le fonctionnement de l'invention, une quantité d'eau peut être prélevée dans la partie basse du réservoir 36, de manière à être acheminée à proximité du refroidisseur 24. Pour ce faire, un mécanisme de dosage 41, incluant en particulier une pompe par exemple volumétrique 45 commandée par l'unité de contrôle commande 40, permet d'assurer la pulvérisation caractéristique d'une quantité

donnée, et aux instants choisis pour optimiser le fonctionnement du système de climatisation. Des dispositifs de filtration 47 peuvent être prévus en amont du système de dosage, pour éviter tout encrassement de la pompe 45, et en aval du système de dosage 44, pour éviter l'encrassement des organes de pulvérisation. Dans le cas où l'humidification est réalisée par pulvérisation, les organes assurant cette pulvérisation peuvent notamment être constitués par des buses 48 à haute pression, pour lesquelles le diamètre et la pression de l'eau permettent de déterminer la taille des gouttelettes.

De manière simplifiée, le cycle thermodynamique du système conforme à l'invention est illustré à la figure 4, en traits pleins, par comparaison avec un système de l'art antérieur incluant un échangeur interne montré en traits pointillés.

Ainsi, la chaleur captée par le fluide réfrigérant au niveau de l'évaporateur 22 correspond à la transition entre les points Bl et B 2 du diagramme, au cours de laquelle, à pression constante, l'enthalpie du fluide réfrigérant augmente. La variation d'enthalpie durant cette phase correspond à l'énergie captée par le système sur le flux d'air de ventilation 27 à refroidir. La transition entre les points

B2 et B3 correspond à la phase de compression, dans laquelle la pression du fluide réfrigérant augmente, passant typiquement de 30 à 40 bars à 90 bars environ. La variation d'enthalpie durant cette phase correspond à l'énergie consommée par le compresseur, au rendement de ce dernier près.

Le coefficient de performance du système est donc calculé par le rapport entre l'énergie captée sur le flux d'air, c'est-à-dire la différence d'enthalpie entre les points Bl et B2, rapportée à l'énergie consommée par le compresseur, c'est-à- dire la différence d'enthalpie entre les points B2 et B3.

On constate donc dans l'exemple particulier, correspondant à des conditions de température ambiante extrêmes, du type 4O ⁰ C de température extérieure, avec un taux d'humidité de l'ordre de 50 %, que le coefficient de performance est de l'ordre de 1,90.

Par comparaison, un cycle similaire, mis en œuvre sur un système de l'art antérieur, incluant un échangeur interne, présente un coefficient de performances de l'ordre de 1,5. Ce coefficient est calculé comme prenant en compte l'énergie captée au niveau de l'évaporateur 22, correspondant à la transition entre les points

Al ' et B2, rapportée à la phase de compression, illustrée entre les points A2' et

A3'. L'augmentation de température entre la sortie de l'évaporateur 22 et l'entrée dans le compresseur 23, illustrée par la transition entre les points B2 et A2' correspond au réchauffement intervenant par l'intermédiaire de l' échangeur interne, tel qu'illustré à la figure 1.

A titre d'exemple de comparaison chiffrée, la température de flux en sortie de compresseur 27 dans le système conforme à l'invention, est de l'ordre de 92 ⁰ C (B3), à comparer avec une température voisine de 16O ⁰ C (A3') en sortie de compresseur 3 dans l'art antérieur. De même, dans l'art antérieur, un abaissement de température complémentaire est effectué au niveau de l'échangeur interne 9, faisant passer la température de l'ordre de 45 ⁰ C en sortie du refroidisseur 4 à une température de l'ordre de 35 ⁰ C en entrée du détendeur 5, ce qui correspond à la transition illustrée entre les points A4 et A4'.

A l'inverse, dans le dispositif conforme à l'invention, la même température de l'ordre de 35 ⁰ C est obtenue directement en sortie du refroidisseur 24. Autrement dit, le système conforme à l'invention est avantageux en ce qu'il permet un fonctionnement à température plus faible, avec un taux de coefficient de performance plus favorable, et ce combiné avec une structure du circuit de fluide réfrigérant plus simple.

La comparaison des niveaux de pression atteints est également en faveur de l'invention, puisqu'à coefficient de performance meilleur (1,90 à comparer à 1,50), la pression maximale atteinte dans le circuit est de l'ordre de 90 bars, à comparer avec les 120 bars observés dans l'Art Antérieur, en présence d'un échangeur interne. Une telle amélioration peut être obtenue dès lors qu'une quantité d'eau

suffisante est disponible, en particulier si la production d'eau récupérée au niveau de l'évaporateur permet d'atteindre l'autonomie. Ceci dépend bien entendu des conditions climatiques, et notamment du taux d'humidité et de la température ambiants. Ainsi, les valeurs maximales de température et de pression atteintes dans le refroidisseur peuvent être optimisées en fonction de ces conditions climatiques.

Ainsi, à performances égales, il est possible d'utiliser des compresseurs de taille inférieure ou de moindre consommation. Il est également possible de définir des cycles où la pression maximum est inférieure, ce qui est avantageux en termes de dimensionnement du circuit de fluide réfrigérant.