EP4247653A1 - Système de conditionnement thermique pour véhicule automobile - Google Patents

Système de conditionnement thermique pour véhicule automobile

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Publication number
EP4247653A1
EP4247653A1 EP21811337.1A EP21811337A EP4247653A1 EP 4247653 A1 EP4247653 A1 EP 4247653A1 EP 21811337 A EP21811337 A EP 21811337A EP 4247653 A1 EP4247653 A1 EP 4247653A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
connection point
main loop
conditioning system
volume
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21811337.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Mohamed Yahia
Patricia Gardie
Bertrand Nicolas
Muriel Porto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Systemes Thermiques SAS filed Critical Valeo Systemes Thermiques SAS
Publication of EP4247653A1 publication Critical patent/EP4247653A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00814—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation
    • B60H1/00878—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices
    • B60H1/00899—Controlling the flow of liquid in a heat pump system
    • B60H1/00921—Controlling the flow of liquid in a heat pump system where the flow direction of the refrigerant does not change and there is an extra subcondenser, e.g. in an air duct
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/32—Cooling devices
    • B60H1/3204—Cooling devices using compression
    • B60H1/3228—Cooling devices using compression characterised by refrigerant circuit configurations
    • B60H1/32284—Cooling devices using compression characterised by refrigerant circuit configurations comprising two or more secondary circuits, e.g. at evaporator and condenser side
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/32—Cooling devices
    • B60H1/3204—Cooling devices using compression
    • B60H1/323—Cooling devices using compression characterised by comprising auxiliary or multiple systems, e.g. plurality of evaporators, or by involving auxiliary cooling devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/01—Geometry problems, e.g. for reducing size
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B43/00—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat
    • F25B43/006—Accumulators

Definitions

  • the present invention relates to the field of thermal conditioning systems for motor vehicles. Such systems make it possible to ensure thermal regulation of various organs or parts of the vehicle, such as the passenger compartment or an electrical energy storage battery, in the case of an electrically powered vehicle. Heat exchanges are mainly managed by the compression and expansion of a refrigerant fluid within several heat exchangers.
  • the quantity of refrigerant fluid circulating in the refrigerant circuit is not constant. Indeed, the minimum pressure and the maximum pressure in the circuit depend on the conditions of use, and therefore the density of the refrigerant fluid circulating in the circuit depends on the conditions of use. In addition, the length of the circuit portions traversed by the refrigerant fluid is not always the same.
  • An accumulator comprises a coolant fluid inlet, a coolant fluid outlet and a buffer volume between the inlet and the outlet, this volume making it possible to store a quantity of coolant fluid.
  • a conventional motor vehicle accumulator may have a volume of 0.8 liters to 1 liter. This volume makes it possible to cover variations in the mass of chemical refrigerant fluid, such as R1234yf, circulating in the circuit.
  • the space available under the bonnet may be very limited, and it may be very difficult or even impossible to install an accumulation device with the classic volume.
  • An object of the present invention is thus to provide a thermal conditioning system that can operate using an accumulator with a lower volume than those of the state-of-the-art systems, while maintaining the same thermodynamic performance. The installation of the thermal conditioning circuit in the vehicle is thus facilitated.
  • the present invention proposes a thermal conditioning system for a motor vehicle, comprising a refrigerant circuit configured to circulate a refrigerant fluid, the refrigerant circuit comprising: a main loop comprising successively, in the direction of path of the refrigerant fluid:
  • a first heat exchanger configured to exchange heat with a first heat transfer fluid
  • a second heat exchanger configured to exchange heat with a flow of air outside a passenger compartment of the vehicle
  • a third heat exchanger configured to exchange heat with a flow of air inside the passenger compartment of the vehicle
  • a refrigerant fluid accumulation device a refrigerant fluid accumulation device
  • a first bypass branch B connecting a first connection point arranged on the main loop and comprised between the second heat exchanger and the second expansion device to a second connection point arranged on the main loop and between the third heat exchanger and the accumulation device
  • the first bypass branch comprising a first shut-off valve, in which an internal volume of a main loop portion extending from an outlet of the first heat exchanger to a input of the first expansion device defines a first reference volume, in which an internal volume of the accumulation device defines a second reference volume, and in which the ratio of the first reference volume and the second reference volume is greater than 0 .2 preferably greater than 0.4.
  • the second reference volume is chosen lower than that of the solutions according to the state of the art.
  • the refrigerant fluid accumulation device is smaller, and is thus easier to install in the vehicle.
  • the volume of the main loop portion extending from an outlet of the first heat exchanger to an inlet of the first expansion device is increased compared to the solutions according to the state of the art.
  • This additional volume makes it possible to constitute a refrigerant fluid storage volume which compensates for the reduction in volume of the accumulation device.
  • this portion of the circuit contains refrigerant in liquid form in modes of use where the circulating mass of refrigerant fluid is low, and therefore constitutes a zone of natural accumulation of liquid refrigerant.
  • the first and second reference volumes are chosen so that there remains a reserve of refrigerant fluid in the accumulation device under all conditions of use of the thermal conditioning circuit.
  • the second reference volume is less than 0.65 litres.
  • the thermal conditioning system comprises a second bypass branch connecting a third connection point arranged on the main loop and between the first heat exchanger and the first expansion device to a fourth connection point arranged on the main loop and between the first connection point and the second connection device expansion
  • the second bypass branch comprises a second shut-off valve
  • the sum of the first reference volume and an internal volume of a portion of the second bypass branch extending from the third connection point to a inlet of the shut-off valve defines a third reference volume
  • the ratio of the third reference volume and the second reference volume is greater than 0.3, preferably greater than 0.5.
  • the first heat exchanger comprises a first heat exchange section configured to ensure condensation of the refrigerant fluid and a second heat exchange section configured to ensure sub-cooling of the refrigerant fluid, the sum of the third reference volume and an internal volume of the second heat exchange section of the first heat exchanger defines a fourth reference volume, and the ratio of the fourth reference volume and the second reference volume is greater than 0 .65 preferably greater than 0.95.
  • the first heat exchanger is configured to exchange heat with an air flow inside the passenger compartment of the vehicle.
  • the first heat exchanger is configured to exchange heat with a heat transfer liquid circulating in a heat transfer liquid circuit.
  • the coolant circuit includes a fifth heat exchanger configured to exchange heat with an air flow inside the vehicle cabin.
  • the thermal conditioning system comprises a third bypass branch connecting a fifth connection point arranged on the main loop and between the fourth connection point and the second expansion device to a sixth connection point. connection arranged on the main loop and included between the second connection point and the accumulation device, the third branch branch comprising a third expansion device arranged upstream of a fourth heat exchanger.
  • the fourth heat exchanger 20 is thermally coupled with an element 30 of an electric traction chain of the vehicle.
  • the element 30 of the electric traction chain can be a battery 30 for storing electrical energy.
  • the element 30 of the electric traction chain can be an electronic module for controlling an electric traction motor of the vehicle.
  • a sum of an internal volume of a main loop portion extending from an outlet of the second heat exchanger to the first connection point and of a internal volume of a first bypass branch portion extending from the first connection point to an inlet of the first shut-off valve defines a fifth reference volume, and the fifth reference volume is less than 0, 03 liter.
  • the ratio of the fifth reference volume and the second reference volume is less than 0.5, preferably less than 0.1.
  • an internal diameter of a main loop portion between an outlet of the first heat exchanger and an inlet of the first expansion device is greater than 13 millimeters, preferably greater than at 15 millimeters.
  • the main loop comprises a check valve arranged between the first connection point and the fourth connection point, a length of a main loop portion extending from the first connection point to to the check valve defines a first reference distance and a length of a main loop portion extending from the check valve to the fourth connection point defines a second reference distance, and the ratio of the first reference distance and of the second reference distance is less than 0.5.
  • a volume of a main loop portion extending from the first connection point to the check valve is less than 0.03 liters.
  • a main loop portion extending from an outlet of the first heat exchanger to an inlet of the first expansion device comprises a first part having a first passage section of refrigerant fluid and a second part having a second passage section of refrigerant fluid, the ratio between the second passage section and the first passage section being greater than 2.
  • the invention also relates to a method of operating a thermal conditioning system as described above, in a heating mode, in which:
  • the refrigerant fluid circulates in the compression device where it passes at high pressure, and successively circulates in the first heat exchanger where it yields heat to the coolant and passes to the liquid state, in the first expansion device where it passes at low pressure, into the second heat exchanger where it absorbs heat from the external air flow and passes into the gaseous state, into the first bypass branch, into the accumulation device,
  • the low-pressure refrigerant fluid returns to the compression device.
  • the invention also relates to a method of operating a thermal conditioning system as described above, in a so-called cooling mode, in which:
  • the refrigerant circulates in the compression device where it passes at high pressure, and circulates successively in the first heat exchanger without yielding heat to the interior air flow, in the first expansion device, in the second heat exchanger where it gives up heat from the outside airflow and goes into a liquid state,
  • the low-pressure refrigerant fluid returns to the compression device.
  • the invention also relates to a method of operating a thermal conditioning system as described above, in a so-called cooling mode, in which: - the refrigerant fluid circulates in the compression device where it passes at high pressure, and successively circulates in the first heat exchanger where it yields heat to the coolant liquid and passes to the liquid state, in the first expansion device, in the second heat exchanger,
  • the low-pressure refrigerant fluid returns to the compression device.
  • the invention also relates to a method of operating a thermal conditioning system as described above, in a so-called parallel dehumidification mode, in which:
  • the refrigerant circulates in the compression device where it passes at high pressure, and successively circulates in the first heat exchanger where it yields heat to the heat transfer fluid and passes to the liquid state,
  • the refrigerant is divided between a first flow circulating in the main loop and a second flow circulating in the second bypass branch
  • the first flow circulates in the first expansion device where it passes at low pressure, in the second heat exchanger where it absorbs heat from the external air flow and passes to the gaseous state, then circulates in the first branch derivation,
  • the second flow joins the main loop upstream of the second expansion device where it passes at low pressure, and circulates in the third heat exchanger where it absorbs heat from the interior air flow and passes to the gaseous state,
  • the low-pressure refrigerant fluid returns to the compression device.
  • Figure 1 is a schematic representation of a thermal conditioning system according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a schematic representation of a thermal conditioning system according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of a thermal conditioning system according to a first variant of the embodiment of Figure 2,
  • FIG. 4 is a schematic representation of a thermal conditioning system according to a second variant of the embodiment of Figure 2,
  • FIG. 5 is a schematic, partial representation of a variant of a thermal conditioning system according to the invention.
  • Figure 6 shows a pressure, enthalpy diagram of the thermal conditioning system of Figure 1 operating according to a so-called cooling operating mode
  • Figure 7 shows a pressure, enthalpy diagram of the thermal conditioning system of Figure 1 operating in a so-called heating mode of operation.
  • a first element upstream of a second element means that the first element is placed before the second element with respect to the direction of circulation, or course, of a fluid.
  • a first element downstream of a second element means that the first element is placed after the second element with respect to the direction of circulation, or travel, of the fluid in question.
  • the term "a first element is upstream of a second element >> means that the coolant flows successively through the first element, then the second element, without passing through the compression device.
  • the refrigerant leaves the compression device, possibly passes through one or more elements, then passes through the first element, then the second element, then returns to the compression device, possibly after having passed through other elements.
  • Interior air flow Fi means an air flow intended for the passenger compartment of the motor vehicle. This indoor air flow can circulate in a heating, ventilation and air conditioning installation, often referred to by the English term “HVAC” meaning “Heating, Ventilating and Air Conditioning”. This installation has not been shown in the figures.
  • HVAC heating, ventilation and air conditioning installation
  • exterior air flow Fe is meant an air flow that is not intended for the passenger compartment. In other words, this air flow remains outside the vehicle.
  • a motor-fan unit can be activated in order to increase the flow rate of the outside air flow Fe if necessary.
  • another motor-fan unit is arranged in the installation of heating in order to increase if necessary the flow rate of the interior air flow Fi.
  • An electronic control unit receives information from various sensors measuring in particular the characteristics of the refrigerant at various points in the circuit.
  • the electronic unit also receives the instructions requested by the occupants of the vehicle, such as the desired temperature inside the passenger compartment.
  • the electronic unit implements control laws allowing the piloting of the various actuators, in order to ensure the control of the thermal conditioning system 100.
  • Each of the first, second and third expansion device may be an electronic expansion valve, a thermostatic expansion valve, or a calibrated orifice.
  • the passage section allowing the refrigerant fluid to pass can be adjusted continuously between a closed position and a maximum open position.
  • the unit of system control drives an electric motor that moves the movable shutter that manages the passage section of the expansion device.
  • the compression device 1 can be an electric compressor, that is to say a compressor whose moving parts are driven by an electric motor.
  • the compression device comprises a suction side of the low-pressure refrigerant fluid, also called the inlet of the compression device, and a discharge side of the high-pressure refrigerant fluid, also called the outlet of the compression device 1 .
  • the internal moving parts of the compressor move the refrigerant from a low pressure on the inlet side to a high pressure on the outlet side. After expansion in one or more expansion devices of circuit 1, the refrigerant fluid returns to the inlet of compressor 1 and begins a new thermodynamic cycle.
  • connection point allows the refrigerant to pass through one or the other of the circuit portions joining at this connection point.
  • the distribution of the refrigerant fluid between the two portions of the circuit joining at a connection point is done by playing on the opening or closing of the stop valves or expansion devices included on each of the two branches.
  • each connection point is a means of redirecting the fluid arriving at this connection point.
  • shut-off valves and the non-return valve thus make it possible to selectively direct the refrigerant fluid into the different branches of the refrigerant circuit, in order to ensure different operating modes, as will be described later.
  • the first shut-off valve 8 is configured to selectively authorize or prohibit the passage of the refrigerant fluid in the first bypass branch B.
  • the second shut-off valve 9 is configured to selectively authorize or prevent the passage of refrigerant fluid in the second bypass branch C.
  • the refrigerant circuit 1 comprises a refrigerant fluid accumulation device 7 disposed on the main loop A upstream of the compression device 1.
  • the refrigerant used by the refrigerant circuit 1 is here a chemical fluid such as R1234yf.
  • Other refrigerants could be used, such as R134a for example.
  • FIG. 1 thus represents a thermal conditioning system 100 for a motor vehicle, comprising a refrigerant circuit 50 configured to circulate a refrigerant fluid, the refrigerant circuit 50 comprising: a main loop A comprising successively, in the direction of travel of the refrigerant fluid: - a compression device 1,
  • a first heat exchanger 2 configured to exchange heat with a first heat transfer fluid Fc
  • a second heat exchanger 4 configured to exchange heat with an exterior air flow Fe to a passenger compartment of the vehicle, -- a second expansion device 5,
  • a third heat exchanger 6 configured to exchange heat with an interior air flow Fi in the passenger compartment of the vehicle, -- an accumulation device 7 for refrigerant fluid, a first bypass branch B connecting a first connection point 11 arranged on the main loop A and comprised between the second heat exchanger 4 and the second expansion device 5 to a second connection point 12 arranged on the main loop A and comprised between the third heat exchanger 6 and the storage device 7, the first bypass branch B comprising a first shut-off valve 8, in which an internal volume of a main loop portion A extending from an outlet 2b of the first heat exchanger 2 to an inlet 3a of the first expansion device 3 defines a first reference volume V1, in which an internal volume of the accumulation device 7 defines a second reference volume V2, and in which the ratio ort R1 of the first reference volume V1 and of the second reference volume V2 is greater than 0.2, preferably greater than 0.4.
  • the second reference volume V2 is less than 0.65 litres.
  • the value of the first reference volume V1 is divided by the value of the second reference volume V2, each volume V1 and V2 being expressed in the same unit of measurement, for example in litres.
  • the ratio R1 is therefore a dimensionless quantity.
  • the value of the ratio R1 is then 0.6.
  • the first reference volume V1 is determined by calculating the internal volume of the refrigerant circuit portion beginning at the outlet 2b of the first heat exchanger 2 and ending at the inlet 3a of the first expansion device 3. It is thus the volume offered to the refrigerant fluid between the outlet 2b and the inlet 3a.
  • the second reference volume V2 equal to the internal volume of the accumulation device 7, is the volume between the inlet 7a and the outlet 7b of the accumulation device 7.
  • the mass of refrigerant fluid stored in the device accumulation 7 is therefore equal to the reference volume V2 multiplied by the average density of the refrigerant fluid contained in the accumulation device.
  • the thermal conditioning system 100 is configured to operate in many distinct modes of operation.
  • the thermal conditioning system 100 can in particular implement a method of operation in a heating mode, in which:
  • the refrigerant circulates in the compression device 1 where it passes at high pressure, and successively circulates in the first heat exchanger 2 where it yields heat to the heat transfer fluid and passes to the liquid state, in the first expansion 3 where it passes at low pressure, into the second heat exchanger 4 where it absorbs heat from the outside air flow Fe and passes into the gaseous state, into the first bypass branch B, into the accumulation 7,
  • the refrigerant passes at high pressure while circulating in the compression device, that the refrigerant leaves the compression device in a so-called high pressure state.
  • the pressure at the outlet of the compression device is greater than the pressure at the inlet of the compression device.
  • compression By transition to the liquid state is meant that at least part of the refrigerant fluid condenses and passes to the liquid state.
  • the conversion is not necessarily complete and the coolant may be in the form of a mixture of liquid and vapor.
  • transition to the gaseous state is understood to mean that at least part of the refrigerant fluid vaporizes and passes to the gaseous state.
  • the conversion is not necessarily complete and the coolant may be in the form of a mixture of liquid and vapor.
  • the main loop portion A extending from the outlet 2b of the first heat exchanger 2 to the inlet 3a of the first expansion device 3 contains fluid refrigerant in liquid state.
  • this portion of the circuit contains gaseous refrigerant when the thermal conditioning system operates in cabin cooling mode.
  • thermal conditioning system 100 implements a method of operation in a so-called cooling mode:
  • the refrigerant circulates in the compression device 1 where it passes at high pressure, and circulates successively in the first heat exchanger 2 without changing state, in the first expansion device 3, in the second heat exchanger 4 where it gives up heat from the outside air flow Fe and goes into a liquid state,
  • Figure 6 is a pressure diagram, enthalpy of the refrigerant during the thermodynamic cycle described when the thermal conditioning system 100 operates in cooling mode.
  • the curve in dotted lines corresponds to the characteristic curve of the changes of state of the refrigerant fluid.
  • the trapezium in solid lines corresponds to the thermodynamic cycle carried out by the refrigerant fluid.
  • the point designated by p1 schematizes the state of the refrigerant fluid at the inlet of the compression device 1.
  • the points p2 and p3 schematize respectively the state of the refrigerant fluid at the outlet of the first exchanger 2 and of the first expansion device 3.
  • Point 4b schematizes the state of the refrigerant fluid at the outlet of the second exchanger 4
  • the sign Q4 schematizes the heat exchange carried out between the high pressure refrigerant fluid and the outside air flow Fe within the second heat exchanger.
  • the point p5 represents the state of the fluid at the outlet of the second expansion device 5.
  • the points p6, p12, p7b respectively represent the state of the refrigerant fluid at the outlet of the third heat exchanger 6, at the level of the second point of connection 12 and at the level of the output 7b of the accumulator 7. These points are confused on this diagram, because the pressure losses and the thermal losses for example between the second connection point 12 and the accumulator 7 are considered negligible.
  • the sign Q6 illustrates the heat exchange carried out between the low-pressure refrigerant fluid and the interior air flow Fi within the third heat exchanger 6. This heat exchange ensures the cooling of the interior air flow Fi.
  • Figure 7 is a pressure diagram, enthalpy of the refrigerant during the thermodynamic cycle described when the thermal conditioning system 100 operates in heating mode.
  • Point designated by p1 schematizes the state of the refrigerant fluid entering the compression device 1 .
  • Point p2 schematizes the state of the refrigerant fluid at the inlet of the first exchanger 2.
  • Points p2b and p3a respectively schematize the state of the refrigerant fluid at the outlet of the first exchanger 2 and at the inlet of the first expansion device 3 , that is to say before relaxation.
  • the signs Q21 and Q22 schematize the heat exchange carried out between the high-pressure refrigerant fluid and the internal air flow Fi within the first heat exchanger 2. This heat exchange ensures the heating of the internal air flow Fi .
  • the sign Q21 corresponds to the heat exchange during the condensation phase of the refrigerant fluid and the sign Q22 corresponds to the heat exchange during the subcooling phase of the refrigerant fluid.
  • the point p4 represents the state of the fluid at the inlet of the second heat exchanger 4.
  • the points p4b, p8, p12, p7 respectively represent the state of the refrigerant fluid at the outlet of the second heat exchanger 4, at the level of the first shut-off valve 8, at the level of the second connection point 12 and at the level of the outlet 7b of the accumulator 7. These points are confused on the diagram, because the pressure drops and the thermal losses for example between the first shut-off valve 8 and the accumulator 7 are considered negligible.
  • the sign Q4 illustrates the heat exchange carried out between the low-pressure refrigerant fluid and the outside air flow Fe within the second heat exchanger 4.
  • the condensation of the refrigerant fluid takes place in the second heat exchanger 4.
  • the main loop portion A located upstream of this exchanger 4 therefore contains gaseous refrigerant, therefore of higher density. lower than liquid refrigerant.
  • the mass of refrigerant fluid circulating in the circuit 50 is generally higher in cooling mode than in heating mode, since the minimum pressure and the maximum pressure of the thermodynamic cycle are higher in cooling mode than in heating mode.
  • the refrigerant fluid therefore has a higher average density, and therefore the mass of refrigerant fluid circulating in the circuit 50 is higher in cooling mode.
  • the accumulator 7 must therefore store more refrigerant fluid when the system operates in passenger compartment heating mode than when the system operates in passenger compartment cooling mode.
  • the main loop portion A extending from the outlet 2b of the first heat exchanger 2 to the inlet 3a of the first expansion device 3, filled with liquid in the heating mode, makes it possible to store the refrigerant not not circulating in the circuit, that is to say not participating in the thermodynamic cycle.
  • This main loop portion By choosing the dimensions of this main loop portion appropriately, it is thus possible to use an accumulator 7 of smaller volume than in the solutions according to the prior art, since this main loop portion can play the same role as the accumulator 7.
  • the dimensioning is adequate when the ratio R1 of the first reference volume V1 and of the second reference volume V2 is greater than 0.2 and preferably greater than 0.4.
  • the second heat exchanger 4 can be arranged on the front of the vehicle, and receives the airflow generated by the progress of the vehicle.
  • the first exchanger 2 and the third exchanger 6 can be arranged in the heating, ventilation and air conditioning installation of the vehicle.
  • the first connection point 11 is arranged on the main loop A downstream of the second heat exchanger 4 and upstream of the second expansion device 5.
  • the second connection point 12 is arranged on the main loop A downstream of the third heat exchanger 6 and upstream of the accumulation device 7.
  • the first connection point 11 belongs both to the main loop A and to the first bypass branch B.
  • the second connection point 12 belongs to both to the main loop A and to the first branch branch B.
  • the first shut-off valve 8 is arranged on the first branch branch B downstream from the first connection point 11 and upstream from the second connection point 12.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the invention.
  • the thermal conditioning system 100 comprises a second bypass branch C connecting a third connection point 13 disposed on the main loop A and between the first heat exchanger 2 and the first expansion device 3 to a fourth connection point 14 arranged on the main loop A and comprised between the first connection point 11 and the second expansion device 5,
  • the second bypass branch C includes a second shut-off valve 9, the sum of the first volume of reference V1 and an internal volume of a portion of second branch C extending from the third connection point 13 to an inlet 9a of the stop valve 9 defines a third reference volume V3, and the ratio of the third reference volume V3 and of the second reference volume V2 is greater than 0.3, preferably greater than 0.5.
  • the third reference volume V3 is thus the sum of the second reference volume V2, already calculated, and the volume of the circuit portion starting at the level of the third connection point 13 and ending at the input 9a of the stop valve 9.
  • the second shut-off valve 9 is configured to selectively authorize or prohibit the passage of the refrigerant fluid in the second bypass branch C.
  • the main loop A comprises a non-return valve 23 disposed between the first connection point 11 and the fourth connection point 14.
  • the third connection point 13 is arranged on the main loop A downstream of the first heat exchanger 2 and upstream of the first expansion device 3.
  • the fourth connection point 14 is arranged on the main loop A in downstream of the first connection point 11 and upstream of the second expansion device 5.
  • the non-return valve 23 arranged downstream of the first connection point 11 and upstream of the fourth connection point 14.
  • the circuit portion which contains refrigerant in the liquid state in heating mode and refrigerant in the gaseous state in cooling mode comprises the same portion as in the embodiment of Figure 1 , to which is added the portion of the second branch C starting at the third connection point 13 and ending at the inlet 9a of the stop valve 9.
  • this portion of the circuit makes it possible to store the refrigerant in the liquid state, which makes it possible to use a low-volume accumulator 7 while ensuring the same thermodynamic performance.
  • FIG. 3 is a variant of the embodiment of Figure 2.
  • the first heat exchanger 2 is configured to exchange heat with an interior air flow Fi to the passenger compartment of the vehicle.
  • the first heat transfer fluid Fc is here the internal air flow Fi.
  • the third heat exchanger 6 and the first heat exchanger 2 which are both configured to exchange heat with the same internal air flow Fi, are not shown side by side. In reality, exchanger 6 and exchanger 2 are mounted one upstream of the other.
  • the first heat transfer fluid Fc here is a flow of air Fi inside the passenger compartment of the vehicle.
  • the first heat exchanger 2 makes it possible to ensure the heating of the interior air flow Fi, and thus to heat the passenger compartment of the vehicle.
  • the first heat exchanger 2 is here called an internal condenser.
  • the first heat exchanger 2 comprises a first heat exchange section 21 configured to ensure condensation of the refrigerant and a second heat exchange section 22 configured to ensure a subcooling of the refrigerant fluid
  • the sum of the third reference volume V3 and an internal volume of the second heat exchange section 22 of the first heat exchanger 2 defines a fourth reference volume V4
  • the ratio of the fourth volume of reference V4 and of the second reference volume V2 is greater than 0.65, preferably greater than 0.95.
  • the heat exchange zone of the first heat exchanger 2 which serves to ensure the sub-cooling of the refrigerant fluid also contributes to creating a refrigerant fluid storage zone. This contribution is added to the areas already defined in the previous paragraphs.
  • the fourth reference volume V4 is thus the sum of the third reference volume V3, already calculated, and the volume of the part of the first heat exchanger 2 ensuring the sub-cooling of the refrigerant fluid.
  • Figure 4 is another variant of the embodiment of Figure 2.
  • the first heat exchanger 2 is configured to exchange heat with a heat transfer liquid circulating in a heat transfer liquid circuit 40.
  • the first heat transfer fluid Fc in this case is a heat transfer liquid.
  • a mixture of water and glycol can for example be used.
  • the first heat exchanger 2 is here a two-fluid exchanger, configured to allow heat exchange between the refrigerant fluid circulating in the circuit 50 and the heat transfer fluid circulating in the circuit 40.
  • the coolant circuit 40 includes a fifth heat exchanger 25 configured to exchange heat with an interior air flow Fi to the vehicle cabin. The heating of the passenger compartment is ensured by the fifth heat exchanger 25. For this, the circuit 40 of coolant liquid recovers the heat coming from the condensation in the two-fluid exchanger 2 of the fluid high pressure and high temperature refrigerant from the compression device 1 .
  • the coolant circuit 40 includes a pump 27 configured to circulate the coolant in the circuit 40.
  • the coolant circuit 40 also includes a heater 26 configured to heat the coolant.
  • the heater 26 is an electric heater. The heater 26 thus makes it possible to complete the action of the two-fluid exchanger 2 in order to heat the heat transfer liquid.
  • the coolant circuit 40 also comprises a sixth heat exchanger 28 configured to exchange heat with an exterior air flow Fe to a passenger compartment of the vehicle. The sixth heat exchanger 28 thus makes it possible to cool the heat transfer liquid, in the operating modes where such cooling is required.
  • the thermal conditioning system 100 comprises a third bypass branch D connecting a fifth connection point 15 disposed on the main loop and between the fourth point of connection 14 and the second expansion device 5 to a sixth connection point 16 disposed on the main loop A and included between the second connection point 12 and the accumulation device 7, the third branch D branch comprising a third expansion device 10 arranged upstream of a fourth heat exchanger 20.
  • the fifth connection point 15 is arranged on the main loop A downstream of the fourth connection point 14 and upstream of the second expansion device 5.
  • the sixth connection point 16 is arranged on the main loop A downstream of the second connection point 12 and upstream of the accumulation device 7. According to a variant not shown, the fifth connection point 15 can be confused with the fourth connection point 14. Similarly, the sixth connection point 16 can be confused with the second connection point 12.
  • the third bypass branch D connects a fifth connection point 15 arranged on the main loop and between the fourth connection point 14 and the second expansion device 5 to a sixth connection point 16 arranged on the first branch branch B and between the first shut-off valve 8 and the second connection point 12, the third branch D branch comprising a third expansion device 10 arranged upstream of a fourth heat exchanger 20.
  • This variant is equivalent from a thermodynamic point of view to the variant of figures 2, 3 and 4.
  • the fourth heat exchanger 20 is configured to be thermally coupled with an element 30 of an electric traction chain of the vehicle.
  • the third heat exchanger 20 is configured to exchange heat with the element 30 of the vehicle's traction chain.
  • the heat exchange can be direct, that is to say that the exchanger 20 is in contact with the element 30.
  • the heat exchange can be indirect, that is to say that the exchange heat between the element 30 and the fourth heat exchanger 20 occurs via a heat transfer liquid circulating in a closed circuit.
  • the element 30 of the electric traction chain can be a battery 30 for storing electrical energy.
  • the battery 30 can provide electrical energy to an electric traction motor of the vehicle.
  • the element 30 of the electric traction chain can be an electronic module for controlling an electric traction motor of the vehicle.
  • a sum of an internal volume of a main loop portion extending from an outlet 4b of the second heat exchanger 4 to the first connection point 11 and of an internal volume of a portion of first bypass branch B extending from the first connection point 11 to an inlet 8a of the first shut-off valve 8 defines a fifth reference volume V5, and the fifth volume of reference is less than 0.03 liters.
  • the ratio of the fifth reference volume V5 and the second reference volume V2 is less than 0.5, preferably less than 0.1.
  • the fifth reference volume has a low value.
  • the main loop A comprises a check valve 23 disposed between the first connection point 11 and the fourth connection point 14, a length of a main loop portion A extending from the first connection point 11 to the check valve 23 defines a first reference distance d1 and a length of a main loop A extending from the check valve 23 to the fourth connection point 14 defines a second reference distance d2, and the ratio of the first reference distance d1 and the second reference distance d2 is less than 0, 5.
  • a volume of a portion of main loop A extending from the first connection point 11 to the check valve 23 is less than 0.03 liters.
  • the main loop portion extending from an outlet 2b of the first heat exchanger 2 to an inlet 3a of the first expansion device 3 comprises a first part having a first passage section S1 of refrigerant fluid and a second part having a second passage section S2 of refrigerant fluid, the ratio between the second passage section S2 and the first passage section S1 being greater than 2.
  • passage section at a given location of the refrigerant circuit is meant the surface of a straight section of the circuit at this location.
  • the main loop portion extending from an outlet 2b of the first heat exchanger 2 to an inlet 3a of the first expansion device 3 does not have a constant passage section.
  • An additional volume is added to the refrigerant circulation tubes. This additional volume makes it possible to constitute a storage zone for the liquid refrigerant. This additional volume also makes it possible to reduce the noise caused by the circulation of the refrigerant fluid, in particular during sudden variations in pressure.
  • an internal diameter of a main loop portion between an outlet 2b of the first heat exchanger 2 and an inlet 3a of the first expansion device 3 is greater than 13 millimeters, preferably greater than 15 millimeters.
  • the tubes used to make this portion of the main loop have a diameter greater than that of the solutions according to the prior art, in order to constitute a storage zone for the liquid coolant.
  • the thermal conditioning system 100 can operate according to various operating modes, depending on the flow rate and the pressure of the refrigerant fluid circulating in the main loop A as well as in the various bypass branches B, C, D.
  • the thermal conditioning system 100 can also implement a method of operating in a so-called cooling mode, in which:
  • the refrigerant circulates in the compression device 1 where it passes at high pressure, and circulates successively in the first heat exchanger 2 without yielding heat to the internal air flow Fi, in the first expansion device 3, in the second heat exchanger 4 where it yields heat from the outside air flow Fe and passes into the liquid state,
  • the thermal conditioning system 100 can also implement a method of operation in another so-called cooling mode in which:
  • the refrigerant fluid circulates in the compression device 1 where it passes at high pressure, and successively circulates in the first heat exchanger 2 where it yields heat to the coolant liquid and passes to the liquid state, in the first expansion 3, in the second heat exchanger 4,
  • the thermal conditioning system 100 can also implement a method of operating in a so-called parallel dehumidification mode, in which:
  • the refrigerant circulates in the compression device 1 where it passes at high pressure, and successively circulates in the first heat exchanger 2 where it yields heat to the heat transfer fluid and passes to the liquid state,
  • the refrigerant is divided between a first flow circulating in the main loop A and a second flow circulating in the second bypass branch C,
  • the first flow circulates in the first expansion device 3 where it passes at low pressure, in the second heat exchanger 4 where it absorbs heat from the external air flow Fe and passes to the gaseous state, then circulates in the first derivation branch B,
  • the second flow joins the main loop A upstream of the second expansion device 5 where it passes at low pressure, and circulates in the third heat exchanger 6 where it absorbs heat from the interior air flow Fi and passes to the gaseous state,
  • the low-pressure refrigerant circulates simultaneously in the first heat exchanger 2, in the second heat exchanger 4 and in the third heat exchanger 6.
  • the thermal conditioning system 100 can also operate in modes ensuring cooling or heating of the element 30 of the electric traction chain.

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Abstract

Il est proposé un système de conditionnement thermique (100) pour véhicule automobile, comprenant un circuit (50) de fluide réfrigérant comportant une boucle principale (A) comprenant successivement: - Un dispositif de compression (1), - Un premier échangeur de chaleur (2), - Un premier dispositif de détente (3), - Un deuxième échangeur de chaleur (4), - Un troisième échangeur de chaleur (6), - Un dispositif d'accumulation (7) de fluide réfrigérant, dans lequel un volume interne d'une portion de boucle principale (A) s'étendant depuis une sortie (2b) du premier échangeur de chaleur (2) jusqu'à une entrée (3a) du premier dispositif de détente (3) définit un premier volume de référence, dans lequel un volume interne du dispositif d'accumulation (7) définit un deuxième volume de référence, et dans lequel le rapport du premier volume de référence et du deuxième volume de référence est supérieur à 0,2 de préférence supérieur à 0,4.

Description

SYSTÈME DE CONDITIONNEMENT THERMIQUE POUR VÉHICULE AUTOMOBILE
Domaine technique
[1] La présente invention se rapporte au domaine des systèmes de conditionnement thermique pour véhicule automobile. De tels systèmes permettent d’assurer une régulation thermique de différents organes ou parties du véhicule, tel l’habitacle ou une batterie de stockage d’énergie électrique, dans le cas d’un véhicule à propulsion électrique. Les échanges de chaleur sont gérés principalement par la compression et la détente d’un fluide réfrigérant au sein de plusieurs échangeurs de chaleur.
Technique antérieure
[2] De multiples branches de dérivation présentes dans le circuit de fluide réfrigérant permettent de réaliser de nombreux modes de fonctionnement différents. En effet, en adaptant la configuration du circuit de fluide réfrigérant en ouvrant ou fermant sélectivement diverses vannes d’arrêts, il est possible de sélectionner les échangeurs de chaleur traversés par le fluide réfrigérant. Il est ainsi possible de réaliser sélectivement notamment le refroidissement de l’air de l’habitacle, ou son chauffage, ou la déshumidification de l’air de l’habitacle.
[3] Suivant le mode de fonctionnement sélectionné, et suivant les conditions ambiantes dans lesquelles le véhicule évolue, la quantité de fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant n’est pas constante. En effet, la pression minimale et la pression maximale dans le circuit dépendent des conditions d’utilisation, et donc la densité du fluide réfrigérant circulant dans le circuit dépend des conditions d’utilisation. De plus, la longueur des portions de circuit parcourues par du fluide réfrigérant n’est pas toujours la même. Un accumulateur de fluide réfrigérant, disposé dans le circuit en amont du compresseur, permet ainsi de disposer d’une réserve de fluide réfrigérant dans le circuit. Un accumulateur comporte une entrée de fluide réfrigérant, une sortie de fluide réfrigérant et un volume tampon entre l’entrée et la sortie, ce volume permettant de stocker une quantité de fluide réfrigérant. Un accumulateur classique de véhicule automobile peut avoir un volume de 0,8 litre à 1 litre. Ce volume permet de couvrir les variations de la masse de fluide réfrigérant chimique, tel le R1234yf, circulant dans le circuit.
[4] Dans certains véhicules, l’espace disponible sous le capot peut être très limité, et il peut être très difficile voire impossible d’implanter un dispositif d’accumulation possédant le volume classique.
[5] Un but de la présente invention est ainsi de fournir un système de conditionnement thermique pouvant fonctionner en utilisant un accumulateur de volume inférieur à ceux des systèmes l’état de l’art, tout en conservant les mêmes performances thermodynamiques. L’implantation du circuit de conditionnement thermique dans le véhicule est ainsi facilitée.
Résumé
[6] A cette fin, la présente invention propose un système de conditionnement thermique pour véhicule automobile, comprenant un circuit de fluide réfrigérant configuré pour faire circuler un fluide réfrigérant, le circuit de fluide réfrigérant comportant : une boucle principale comprenant successivement selon le sens de parcours du fluide réfrigérant :
-- un dispositif de compression ,
-- un premier échangeur de chaleur configuré pour échanger de la chaleur avec un premier fluide caloporteur,
-- un premier dispositif de détente,
-- un deuxième échangeur de chaleur configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air extérieur à un habitacle du véhicule,
-- un deuxième dispositif de détente,
-- un troisième échangeur de chaleur configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air intérieur à l’habitacle du véhicule,
-- un dispositif d’accumulation de fluide réfrigérant, une première branche de dérivation B reliant un premier point de raccordement disposé sur la boucle principale et compris entre le deuxième échangeur de chaleur et le deuxième dispositif de détente à un deuxième point de raccordement disposé sur la boucle principale et compris entre le troisième échangeur de chaleur et le dispositif d’accumulation, la première branche de dérivation comportant une première vanne d’arrêt , dans lequel un volume interne d’une portion de boucle principale s’étendant depuis une sortie du premier échangeur de chaleur jusqu’à une entrée du premier dispositif de détente définit un premier volume de référence , dans lequel un volume interne du dispositif d’accumulation définit un deuxième volume de référence, et dans lequel le rapport du premier volume de référence et du deuxième volume de référence est supérieur à 0,2 de préférence supérieur à 0,4.
[7] Le deuxième volume de référence est choisi inférieur à celui des solutions selon l’état de l’art. Autrement dit, le dispositif d’accumulation de fluide réfrigérant est plus petit, et est ainsi plus facile à implanter dans le véhicule. Pour compenser, le volume de la portion de boucle principale s’étendant depuis une sortie du premier échangeur de chaleur jusqu’à une entrée du premier dispositif de détente est augmenté par rapport aux solutions selon l’état de l’art. Ce volume additionnel permet de constituer un volume de stockage de fluide réfrigérant qui compense la diminution de volume du dispositif d’accumulation. En effet, cette portion de circuit contient du réfrigérant sous forme liquide dans les modes d’utilisation où la masse circulante de fluide réfrigérant est faible, et constitue donc une zone d’accumulation naturelle de réfrigérant liquide. Le premier et le deuxième volume de référence sont choisis de façon à ce qu’il reste une réserve de fluide réfrigérant dans le dispositif d’accumulation dans toutes les conditions d’utilisation du circuit de conditionnement thermique.
[8] Les caractéristiques listées dans les paragraphes suivant peuvent être mises en oeuvre indépendamment les unes des autres, ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
[9] Le deuxième volume de référence est inférieur à 0,65 litre.
[10] Le système de conditionnement thermique comporte une deuxième branche de dérivation reliant un troisième point de raccordement disposé sur la boucle principale et compris entre le premier échangeur de chaleur et le premier dispositif de détente à un quatrième point de raccordement disposé sur la boucle principale et compris entre le premier point de raccordement et le deuxième dispositif de détente, la deuxième branche de dérivation comporte une deuxième vanne d’arrêt, la somme du premier volume de référence et d’un volume interne d’une portion de deuxième branche de dérivation s’étendant depuis le troisième point de raccordement jusqu’à une entrée de la vanne d’arrêt définit un troisième volume de référence, et le rapport du troisième volume de référence et du deuxième volume de référence est supérieur à 0,3 de préférence supérieur à 0,5.
[11] Selon un mode de réalisation, le premier échangeur de chaleur comporte une première section d’échange thermique configurée pour assurer une condensation du fluide réfrigérant et une deuxième section d’échange thermique configurée pour assurer un sous-refroidissement du fluide réfrigérant, la somme du troisième volume de référence et d’un volume interne de la deuxième section d’échange thermique du premier échangeur de chaleur définit un quatrième volume de référence, et le rapport du quatrième volume de référence et du deuxième volume de référence est supérieur à 0,65 de préférence supérieur à 0,95.
[12] Selon un mode de réalisation du système de conditionnement thermique, le premier échangeur de chaleur est configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air intérieur à l’habitacle du véhicule.
[13] Selon un autre mode de réalisation du système de conditionnement thermique, le premier échangeur de chaleur est configuré pour échanger de la chaleur avec un liquide caloporteur circulant dans un circuit de liquide caloporteur.
[14] Le circuit de liquide caloporteur comporte un cinquième échangeur de chaleur configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air intérieur à l’habitacle du véhicule.
[15] Selon un mode de réalisation, le système de conditionnement thermique comporte une troisième branche de dérivation reliant un cinquième point de raccordement disposé sur la boucle principale et compris entre le quatrième point de raccordement et le deuxième dispositif de détente à un sixième point de raccordement disposé sur la boucle principale et compris entre le deuxième point de raccordement et le dispositif d’accumulation, la troisième branche de dérivation comportant un troisième dispositif de détente disposé en amont d’un quatrième échangeur de chaleur.
[16] Le quatrième échangeur de chaleur 20 est couplé thermiquement avec un élément 30 d’une chaine de traction électrique du véhicule. L’élément 30 de la chaine de traction électrique peut être une batterie 30 de stockage d’énergie électrique. L’élément 30 de la chaine de traction électrique peut être un module électronique de pilotage d’un moteur électrique de traction du véhicule.
[17] Selon un mode de réalisation du système de conditionnement thermique, une somme d’un volume interne d’une portion de boucle principale s’étendant depuis une sortie du deuxième échangeur de chaleur jusqu’au premier point de raccordement et d’un volume interne d’une portion de première branche de dérivation s’étendant depuis le premier point de raccordement jusqu’à une entrée de la première vanne d’arrêt définit un cinquième volume de référence, et le cinquième volume de référence est inférieur à 0,03 litre.
[18] Selon un mode de réalisation, le rapport du cinquième volume de référence et du deuxième volume de référence est inférieur à 0,5 de préférence inférieur à 0,1 .
[19] Selon un mode de réalisation du système de conditionnement thermique, un diamètre interne d’une portion de boucle principale comprise entre une sortie du premier échangeur de chaleur et une entrée du premier dispositif de détente est supérieur à 13 millimètres, de préférence supérieur à 15 millimètres.
[20] Selon un mode de réalisation, la boucle principale comporte un clapet antiretour disposé entre le premier point de raccordement et le quatrième point de raccordement, une longueur d’une portion de boucle principale s’étendant depuis le premier point de raccordement jusqu’au clapet antiretour définit une première distance de référence et une longueur d’une portion de boucle principale s’étendant depuis le clapet antiretour jusqu’au quatrième point de raccordement définit une deuxième distance de référence, et le rapport de la première distance de référence et de la deuxième distance de référence est inférieur à 0,5.
[21] De préférence, un volume d’une portion de boucle principale s’étendant depuis le premier point de raccordement jusqu’au clapet antiretour est inférieur à 0,03 litre. [22] Selon un mode de réalisation du système de conditionnement thermique, une portion de boucle principale s’étendant depuis une sortie du premier échangeur de chaleur jusqu’à une entrée du premier dispositif de détente comporte une première partie possédant une première section de passage de fluide réfrigérant et une deuxième partie possédant une deuxième section de passage de fluide réfrigérant, le rapport entre la deuxième section de passage et la première section de passage étant supérieur à 2.
[23] L’ invention concerne aussi un procédé de fonctionnement d’un système de conditionnement thermique tel que décrit précédemment, dans un mode de chauffage, dans lequel :
- le fluide réfrigérant circule dans le dispositif de compression où il passe à haute pression, et circule successivement dans le premier échangeur de chaleur où il cède de la chaleur au fluide caloporteur et passe à l’état liquide, dans le premier dispositif de détente où il passe à basse pression, dans le deuxième échangeur de chaleur où il absorbe de la chaleur du flux d’air extérieur et passe à l’état gazeux, dans la première branche de dérivation, dans le dispositif d’accumulation,
- puis le fluide réfrigérant à basse pression retourne au dispositif de compression.
[24] L’ invention se rapporte également à un procédé de fonctionnement d’un système de conditionnement thermique tel que décrit précédemment, dans un mode dit de refroidissement, dans lequel :
- le fluide réfrigérant circule dans le dispositif de compression où il passe à haute pression, et circule successivement dans le premier échangeur de chaleur sans céder de chaleur au flux d’air intérieur, dans le premier dispositif de détente, dans le deuxième échangeur de chaleur où il cède de la chaleur du flux d’air extérieur et passe à l’état liquide,
- dans le deuxième dispositif de détente où il passe à basse pression, dans le troisième échangeur de chaleur où il passe à l’état gazeux et absorbe de la chaleur du flux d’air intérieur, dans le dispositif d’accumulation,
- puis le fluide réfrigérant à basse pression retourne au dispositif de compression.
[25] L’ invention se rapporte aussi à un procédé de fonctionnement d’un système de conditionnement thermique tel que décrit précédemment, dans un mode dit de refroidissement, dans lequel : - le fluide réfrigérant circule dans le dispositif de compression où il passe à haute pression, et circule successivement dans le premier échangeur de chaleur où il cède de la chaleur au liquide caloporteur et passe à l’état liquide, dans le premier dispositif de détente, dans le deuxième échangeur de chaleur,
- dans le deuxième dispositif de détente où il passe à basse pression, dans le troisième échangeur de chaleur où il passe à l’état gazeux et absorbe de la chaleur du flux d’air intérieur, dans le dispositif d’accumulation,
- puis le fluide réfrigérant à basse pression retourne au dispositif de compression.
[26] L’ invention se rapporte également à un procédé de fonctionnement d’un système de conditionnement thermique tel que décrit précédemment, dans un mode dit de déshumidification parallèle, dans lequel :
- le fluide réfrigérant circule dans le dispositif de compression où il passe à haute pression, et circule successivement dans le premier échangeur de chaleur où il cède de la chaleur au fluide caloporteur et passe à l’état liquide,
- le fluide réfrigérant se divise entre un premier débit circulant dans la boucle principale et un deuxième débit circulant dans la deuxième branche de dérivation,
- le premier débit circule dans le premier dispositif de détente où il passe à basse pression, dans le deuxième échangeur de chaleur où il absorbe de la chaleur du flux d’air extérieur et passe à l’état gazeux, puis circule dans la première branche de dérivation,
- le deuxième débit rejoint la boucle principale en amont du deuxième dispositif de détente où il passe à basse pression, et circule dans le troisième échangeur de chaleur où il absorbe de la chaleur du flux d’air intérieur et passe à l’état gazeux,
- le premier débit et le deuxième débit se rejoignent au deuxième point de raccordement, puis circulent dans le dispositif d’accumulation,
- puis le fluide réfrigérant à basse pression retourne au dispositif de compression.
Brève description des dessins
[27] D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
[28] La figure 1 est une représentation schématique d’un système de conditionnement thermique selon un premier mode de réalisation de l’invention, [29] La figure 2 est une représentation schématique d’un système de conditionnement thermique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention,
[30] La figure 3 est une représentation schématique d’un système de conditionnement thermique selon une première variante du mode de réalisation de la figure 2,
[31] La figure 4 est une représentation schématique d’un système de conditionnement thermique selon une deuxième variante du mode de réalisation de la figure 2,
[32] La figure 5 est une représentation schématique, partielle, d’une variante d’un système de conditionnement thermique selon l’invention,
[33] La figure 6 représente un diagramme pression, enthalpie du système de conditionnement thermique de la figure 1 fonctionnant selon un mode de fonctionnement dit de refroidissement,
[34] La figure 7 représente un diagramme pression, enthalpie du système de conditionnement thermique de la figure 1 fonctionnant selon un mode de fonctionnement dit de chauffage.
[35] Afin de faciliter la lecture des figures, les différents éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle. Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références. Certains éléments ou paramètres peuvent être indexés, c'est-à-dire désignés par exemple par premier élément ou deuxième élément, ou encore premier paramètre et second paramètre, etc. Cette indexation a pour but de différencier des éléments ou paramètres similaires, mais non identiques. Cette indexation n'implique pas une priorité d'un élément, ou paramètre par rapport à un autre et on peut interchanger les dénominations.
[36] Dans la description qui suit, le terme " un premier élément en amont d'un deuxième élément " signifie que le premier élément est placé avant le deuxième élément par rapport au sens de circulation, ou de parcours, d'un fluide. De manière analogue, le terme " un premier élément en aval d'un deuxième élément " signifie que le premier élément est placé après le deuxième élément par rapport au sens de circulation, ou de parcours, du fluide considéré. Dans le cas du circuit de fluide réfrigérant, le terme « un premier élément est en amont d’un deuxième élément >> signifie que le fluide réfrigérant parcourt successivement le premier élément, puis le deuxième élément, sans passer par le dispositif de compression. Autrement dit, le fluide réfrigérant sort du dispositif de compression, traverse éventuellement ou plusieurs éléments, puis traverse le premier élément, puis le deuxième élément, puis regagne le dispositif de compression, éventuellement après avoir traversé d’autres éléments.
[37] Quand il est précisé qu'un sous-système comporte un élément donné, cela n'exclut pas la présence d'autres éléments dans ce sous-système.
[38] On entend par flux d’air intérieur Fi un flux d’air à destination de l’habitacle du véhicule automobile. Ce flux d’air intérieur peut circuler dans une installation de chauffage, ventilation et climatisation, souvent désignée par le terme Anglais « HVAC >> signifiant « Heating, Ventilating and Air Conditioning >>. Cette installation n’a pas été représentée sur les figures.
[39] On entend par flux d’air extérieur Fe un flux d’air qui n’est pas à destination de l’habitacle. Autrement dit, ce flux d’air reste à l’extérieur du véhicule. Un groupe moto-ventilateur, non représenté, peut être activé afin d’augmenter si nécessaire le débit du flux d’air extérieur Fe. De même, un autre groupe moto-ventilateur, non représenté sur les figures, est disposé dans l’installation de chauffage afin d’augmenter si nécessaire le débit du flux d’air intérieur Fi.
[40] Une unité électronique de contrôle, non représentée sur les figures, reçoit les informations de différents capteurs mesurant notamment les caractéristiques du fluide réfrigérant en divers points du circuit. L’unité électronique reçoit également les consignes demandées par les occupants du véhicule, comme par exemple la température souhaitée à l’intérieur de l’habitacle. L’unité électronique met en oeuvre des lois de contrôle permettant le pilotage des différents actionneurs, afin d’assurer le contrôle du système de conditionnement thermique 100.
[41] Chacun des premier, deuxième et troisième dispositif de détente peut être un détendeur électronique, un détendeur thermostatique, ou un orifice calibré. Dans le cas d’un détendeur électronique, la section de passage permettant de faire passer le fluide réfrigérant peut être ajustée de manière continue entre une position de fermeture et une position d’ouverture maximale. Pour cela, l’unité de contrôle du système pilote un moteur électrique qui déplace l’obturateur mobile qui gère la section de passage du dispositif de détente.
[42] Le dispositif de compression 1 peut être un compresseur électrique, c'est-à- dire un compresseur dont les pièces mobiles sont entraînées par un moteur électrique. Le dispositif de compression comporte un côté aspiration du fluide réfrigérant à basse pression, encore appelé entrée du dispositif de compression, et un côté refoulement du fluide réfrigérant à haute pression, encore appelé sortie du dispositif de compression 1 . Les pièces mobiles internes du compresseur font passer le fluide réfrigérant d’une basse pression côté entrée à une haute pression côté sortie. Après détente dans un ou plusieurs organes de détente du circuit 1 , le fluide réfrigérant revient à l’entrée du compresseur 1 et recommence un nouveau cycle thermodynamique.
[43] Chaque point de raccordement permet au fluide réfrigérant de passer dans l’une ou l’autre des portions de circuit se rejoignant à ce point de raccordement. La répartition du fluide réfrigérant entre les deux portions de circuit se rejoignant en un point de raccordement se fait en jouant sur l’ouverture ou la fermeture des vannes d’arrêt ou dispositifs de détente compris sur chacune des deux branches. Autrement dit, chaque point de raccordement est un moyen de redirection du fluide arrivant à ce point de raccordement.
[44] Les vannes d’arrêt et la vanne antiretour permettent ainsi de diriger sélectivement le fluide réfrigérant dans les différentes branches du circuit de réfrigérant, afin d’assurer différents modes de fonctionnement, comme il sera décrit ultérieurement.
[45] Ainsi, la première vanne d’arrêt 8 est configurée pour sélectivement autoriser ou interdire le passage du fluide réfrigérant dans la première branche de dérivation B. De la même manière, la deuxième vanne d’arrêt 9 est configurée pour sélectivement autoriser ou interdire le passage du fluide réfrigérant dans la deuxième branche de dérivation C.
[46] Le circuit de fluide réfrigérant 1 comporte un dispositif d’accumulation de fluide réfrigérant 7 disposé sur la boucle principale A en amont du dispositif de compression 1 . Le fluide réfrigérant utilisé par le circuit de fluide réfrigérant 1 est ici un fluide chimique tel que le R1234yf. D’autres fluides réfrigérants pourraient être employés, comme par exemple le R134a.
[47] On a représenté sur la figure 1 un premier mode de réalisation de l’invention. La figure 1 représente ainsi un système de conditionnement thermique 100 pour véhicule automobile, comprenant un circuit 50 de fluide réfrigérant configuré pour faire circuler un fluide réfrigérant, le circuit 50 de fluide réfrigérant comportant : une boucle principale A comprenant successivement selon le sens de parcours du fluide réfrigérant : -- un dispositif de compression 1 ,
-- un premier échangeur de chaleur 2 configuré pour échanger de la chaleur avec un premier fluide caloporteur Fc,
-- un premier dispositif de détente 3,
-- un deuxième échangeur de chaleur 4 configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air extérieur Fe à un habitacle du véhicule, -- un deuxième dispositif de détente 5,
-- un troisième échangeur de chaleur 6 configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air intérieur Fi à l’habitacle du véhicule, -- un dispositif d’accumulation 7 de fluide réfrigérant, une première branche de dérivation B reliant un premier point de raccordement 11 disposé sur la boucle principale A et compris entre le deuxième échangeur de chaleur 4 et le deuxième dispositif de détente 5 à un deuxième point de raccordement 12 disposé sur la boucle principale A et compris entre le troisième échangeur de chaleur 6 et le dispositif d’accumulation 7, la première branche de dérivation B comportant une première vanne d’arrêt 8, dans lequel un volume interne d’une portion de boucle principale A s’étendant depuis une sortie 2b du premier échangeur de chaleur 2 jusqu’à une entrée 3a du premier dispositif de détente 3 définit un premier volume de référence V1 , dans lequel un volume interne du dispositif d’accumulation 7 définit un deuxième volume de référence V2, et dans lequel le rapport R1 du premier volume de référence V1 et du deuxième volume de référence V2 est supérieur à 0,2 de préférence supérieur à 0,4.
[48] Le deuxième volume de référence V2 est inférieur à 0,65 litre. [49] Pour calculer le rapport R1 , on divise la valeur du premier volume de référence V1 par la valeur du deuxième volume de référence V2, chaque volume V1 et V2 étant exprimé dans la même unité de mesure, par exemple en litre. Le rapport R1 est donc une grandeur sans dimension. A titre d’exemple, si le premier volume de référence V1 vaut 0,3 litre et si le deuxième volume de référence V2 vaut 0,5 litre, la valeur du rapport R1 est alors 0,6.
[50] Le premier volume de référence V1 est déterminé en calculant le volume interne de la portion de circuit de fluide réfrigérant commençant à la sortie 2b du premier échangeur de chaleur 2 et se terminant à l’entrée 3a du premier dispositif de détente 3. C’est ainsi le volume offert au fluide réfrigérant entre la sortie 2b et l’entrée 3a.
[51] Le deuxième volume de référence V2, égal au volume interne du dispositif d’accumulation 7, est le volume compris entre l’entrée 7a et la sortie 7b du dispositif d’accumulation 7. La masse de fluide réfrigérant stockée dans le dispositif d’accumulation 7 est donc égale au volume de référence V2 multiplié par la densité moyenne du fluide réfrigérant contenu dans le dispositif d’accumulation.
[52] Le système de conditionnement thermique 100 est configuré pour fonctionner selon de nombreux modes de fonctionnement distincts. Le système de conditionnement thermique 100 peut notamment mettre en oeuvre un procédé de fonctionnement dans un mode de chauffage, dans lequel :
- le fluide réfrigérant circule dans le dispositif de compression 1 où il passe à haute pression, et circule successivement dans le premier échangeur de chaleur 2 où il cède de la chaleur au fluide caloporteur et passe à l’état liquide, dans le premier dispositif de détente 3 où il passe à basse pression, dans le deuxième échangeur de chaleur 4 où il absorbe de la chaleur du flux d’air extérieur Fe et passe à l’état gazeux, dans la première branche de dérivation B, dans le dispositif d’accumulation 7,
- puis le fluide réfrigérant à basse pression retourne au dispositif de compression 2.
[53] On entend, par le fait que le fluide réfrigérant passe à haute pression en circulant dans le dispositif de compression, que le fluide réfrigérant sort du dispositif de compression dans un état dit haute pression. La pression en sortie du dispositif de compression est supérieure à la pression en entrée du dispositif de compression. On entend, par passage à l’état liquide, qu’au moins une partie du fluide réfrigérant se condense et passe à l’état liquide. La transformation n’est pas forcément totale et le fluide réfrigérant peut être sous la forme d’un mélange de liquide et de vapeur. De la même manière, on entend par passage à l’état gazeux qu’au moins une partie du fluide réfrigérant se vaporise et passe à l’état gazeux. Là aussi, la transformation n’est pas forcément totale et le fluide réfrigérant peut être sous la forme d’un mélange de liquide et de vapeur.
[54] Autrement dit, dans le mode de fonctionnement en mode chauffage, la portion de boucle principale A s’étendant depuis la sortie 2b du premier échangeur de chaleur 2 jusqu’à l’entrée 3a du premier dispositif de détente 3 contient du fluide réfrigérant à l’état liquide.
[55] Par contre, cette portion de circuit contient du fluide réfrigérant à l’état gazeux lorsque le système de conditionnement thermique opère en mode refroidissement de l’habitacle.
[56] En effet, lorsque le système de conditionnement thermique 100 met en oeuvre un procédé de fonctionnement dans un mode dit de refroidissement :
- le fluide réfrigérant circule dans le dispositif de compression 1 où il passe à haute pression, et circule successivement dans le premier échangeur de chaleur 2 sans changer d’état, dans le premier dispositif de détente 3, dans le deuxième échangeur de chaleur 4 où il cède de la chaleur du flux d’air extérieur Fe et passe à l’état liquide,
- dans le deuxième dispositif de détente 5 où il passe à basse pression, dans le troisième échangeur de chaleur 6 où il passe à l’état gazeux et absorbe de la chaleur du flux d’air intérieur Fi, dans le dispositif d’accumulation 7,
- puis le fluide réfrigérant à basse pression retourne au dispositif de compression 2.
[57] La figure 6 est un diagramme pression, enthalpie du fluide réfrigérant au cours du cycle thermodynamique décrit lorsque le système de conditionnement thermique 100 fonctionne en mode refroidissement. La courbe en traits pointillés correspond à la courbe caractéristique des changements d’état du fluide réfrigérant. Le trapèze en traits pleins correspond au cycle thermodynamique réalisé par le fluide réfrigérant. [58] Le point désigné par p1 schématise l’état du fluide réfrigérant en entrée du dispositif de compression 1. Les points p2 et p3 schématisent respectivement l’état du fluide réfrigérant en sortie du premier échangeur 2 et du premier dispositif de détente 3. Le point 4b schématise l’état du fluide réfrigérant à la sortie du deuxième échangeur 4, et le signe Q4 schématise l’échange de chaleur réalisé entre le fluide réfrigérant à haute pression et le flux d’air extérieur Fe au sein du deuxième échangeur de chaleur 4. Le point p5 représente l’état du fluide en sortie du deuxième dispositif de détente 5. Les points p6, p12, p7b représentent respectivement l’état du fluide réfrigérant en sortie du troisième échangeur de chaleur 6, au niveau du deuxième point de raccordement 12 et au niveau de la sortie 7b de l’accumulateur 7. Ces points sont confondus sur ce schéma, car les pertes de charges et les pertes thermiques par exemple entre le deuxième point de raccordement 12 et l’accumulateur 7 sont considérées négligeables. Le signe Q6 illustre l’échange de chaleur réalisé entre le fluide réfrigérant à basse pression et le flux d’air intérieur Fi au sein du troisième échangeur de chaleur 6. Cet échange de chaleur assure le refroidissement du flux d’air intérieur Fi.
[59] La figure 7 est un diagramme pression, enthalpie du fluide réfrigérant au cours du cycle thermodynamique décrit lorsque le système de conditionnement thermique 100 fonctionne en mode chauffage.
[60] Le point désigné par p1 schématise l’état du fluide réfrigérant en entrée du dispositif de compression 1 . Le point p2 schématise l’état du fluide réfrigérant à l’entrée du premier échangeur 2. Les points p2b et p3a schématisent respectivement l’état du fluide réfrigérant à la sortie du premier échangeur 2 et à l’entrée du premier dispositif de détente 3, c’est-à-dire avant détente. Les signes Q21 et Q22 schématisent l’échange de chaleur réalisé entre le fluide réfrigérant à haute pression et le flux d’air intérieur Fi au sein du premier échangeur de chaleur 2. Cet échange de chaleur assure le chauffage du flux d’air intérieur Fi. Le signe Q21 correspond à l’échange de chaleur durant la phase de condensation du fluide réfrigérant et le signe Q22 correspond à l’échange de chaleur durant la phase de sous-refroidissement du fluide réfrigérant. Le point p4 représente l’état du fluide en entrée du deuxième échangeur de chaleur 4. Les points p4b, p8, p12, p7 représentent respectivement l’état du fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur de chaleur 4, au niveau de la première vanne d’arrêt 8, au niveau du deuxième point de raccordement 12 et au niveau de la sortie 7b de l’accumulateur 7. Ces points sont confondus sur le schéma, car les pertes de charges et les pertes thermiques par exemple entre la première vanne d’arrêt 8 et l’accumulateur 7 sont considérées négligeables. Le signe Q4 illustre l’échange de chaleur réalisé entre le fluide réfrigérant à basse pression et le flux d’air extérieur Fe au sein du deuxième échangeur de chaleur 4.
[61] Dans le mode de fonctionnement en mode refroidissement, la condensation du fluide réfrigérant a lieu dans le deuxième échangeur de chaleur 4. La portion de boucle principale A située en amont de cet échangeur 4 contient donc du réfrigérant gazeux, donc de densité plus faible que le réfrigérant liquide. La masse de fluide réfrigérant circulant dans le circuit 50 est généralement plus élevée en mode refroidissement qu’en mode chauffage, car la pression minimale et la pression maximale du cycle thermodynamique sont plus élevées en mode refroidissement qu’en mode chauffage. Le fluide réfrigérant a donc une densité moyenne plus élevée, et donc la masse de fluide réfrigérant circulant dans le circuit 50 est plus élevée en mode refroidissement. L’accumulateur 7 doit donc stocker davantage de fluide réfrigérant lorsque le système fonctionne en mode chauffage de l’habitacle que lorsque le système fonctionne en mode refroidissement de l’habitacle.
[62] La portion de boucle principale A s’étendant depuis la sortie 2b du premier échangeur de chaleur 2 jusqu’à l’entrée 3a du premier dispositif de détente 3, remplie de liquide dans le mode chauffage, permet de stocker le réfrigérant ne circulant pas dans le circuit, c’est-à-dire ne participant pas au cycle thermodynamique. En choisissant les dimensions de cette portion de boucle principale de manière adéquate, il est ainsi possible d’utiliser un accumulateur 7 de plus faible volume que dans les solutions selon l’art antérieur, puisque cette portion de boucle principale peut jouer le même rôle que l’accumulateur 7. Le dimensionnement est adéquat lorsque le rapport R1 du premier volume de référence V1 et du deuxième volume de référence V2 est supérieur à 0,2 et de préférence supérieur à 0,4. [63] Le deuxième échangeur de chaleur 4 peut être disposé en face avant du véhicule, et reçoit le flux d’air généré par l’avancement du véhicule. Le premier échangeur 2 et le troisième échangeur 6 peuvent être disposés dans l’installation de chauffage, ventilation et climatisation du véhicule.
[64] Le premier point de raccordement 11 est disposé sur la boucle principale A en aval du deuxième échangeur de chaleur 4 et en amont du deuxième dispositif de détente 5. Le deuxième point de raccordement 12 est disposé sur la boucle principale A en aval du troisième échangeur de chaleur 6 et en amont du dispositif d’accumulation 7. Le premier point de raccordement 11 appartient à la fois à la boucle principale A et à la première branche de dérivation B. De même, le deuxième point de raccordement 12 appartient à la fois à la boucle principale A et à la première branche de dérivation B. La première vanne d’arrêt 8 est disposée sur la première branche de dérivation B en aval du premier point de raccordement 11 et en amont du deuxième point de raccordement 12.
[65] La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation de l’invention. Dans ce deuxième mode de réalisation, le système de conditionnement thermique 100 comporte une deuxième branche de dérivation C reliant un troisième point de raccordement 13 disposé sur la boucle principale A et compris entre le premier échangeur de chaleur 2 et le premier dispositif de détente 3 à un quatrième point de raccordement 14 disposé sur la boucle principale A et compris entre le premier point de raccordement 11 et le deuxième dispositif de détente 5, la deuxième branche de dérivation C comporte une deuxième vanne d’arrêt 9, la somme du premier volume de référence V1 et d’un volume interne d’une portion de deuxième branche de dérivation C s’étendant depuis le troisième point de raccordement 13 jusqu’à une entrée 9a de la vanne d’arrêt 9 définit un troisième volume de référence V3, et le rapport du troisième volume de référence V3 et du deuxième volume de référence V2 est supérieur à 0,3 de préférence supérieur à 0,5.
[66] Le troisième volume de référence V3 est ainsi la somme du deuxième volume de référence V2, déjà calculé, et du volume de la portion de circuit commençant au niveau du troisième point de raccordement 13 et se terminant à l’entrée 9a de la vanne d’arrêt 9. [67] La deuxième vanne d’arrêt 9 est configurée pour sélectivement autoriser ou interdire le passage du fluide réfrigérant dans la deuxième branche de dérivation C. La boucle principale A comporte un clapet antiretour 23 disposé entre le premier point de raccordement 11 et le quatrième point de raccordement 14. Le troisième point de raccordement 13 est disposé sur la boucle principale A en aval du premier échangeur de chaleur 2 et en amont du premier dispositif de détente 3. Le quatrième point de raccordement 14 est disposé sur la boucle principale A en aval du premier point de raccordement 11 et en amont du deuxième dispositif de détente 5. Le clapet antiretour 23 disposé en aval du premier point de raccordement 11 et en amont du quatrième point de raccordement 14.
[68] Dans ce mode de réalisation, la portion de circuit qui contient du réfrigérant à l’état liquide en mode chauffage et du réfrigérant à l’état gazeux en mode refroidissement comprend la même portion que sur le mode de réalisation de la figure 1 , à laquelle s’ajoute la portion de la deuxième branche de dérivation C commençant au troisième point de raccordement 13 et se terminant à l’entrée 9a de la vanne d’arrêt 9.
[69] Comme précédemment, cette portion de circuit permet de stocker le fluide réfrigérant à l’état liquide, ce qui permet d’utiliser un accumulateur 7 de faible volume tout en assurant les mêmes performances thermodynamiques.
[70] La figure 3 est une variante du mode de réalisation de la figure 2. Dans cette variante, le premier échangeur de chaleur 2 est configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air intérieur Fi à l’habitacle du véhicule. Le premier fluide caloporteur Fc est ici le flux d’air intérieur Fi. Afin de simplifier les figures, le troisième échangeur de chaleur 6 et le premier échangeur de chaleur 2, qui sont tous les deux configurés pour échanger de la chaleur avec le même flux d’air intérieur Fi, ne sont pas représentés côte à côte. Dans la réalité, l’échangeur 6 et l’échangeur 2 sont montés l’un en amont de l’autre.
[71] Le premier fluide caloporteur Fc est ici un flux d’air Fi intérieur à l’habitacle du véhicule. Le premier échangeur de chaleur 2 permet d’assurer le chauffage du flux d’air intérieur Fi, et ainsi de chauffer l’habitacle du véhicule. Le premier échangeur de chaleur 2 est ici appelé condenseur interne. [72] Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 3, le premier échangeur de chaleur 2 comporte une première section 21 d’échange thermique configurée pour assurer une condensation du fluide réfrigérant et une deuxième section 22 d’échange thermique configurée pour assurer un sous-refroidissement du fluide réfrigérant, la somme du troisième volume de référence V3 et d’un volume interne de la deuxième section d’échange thermique 22 du premier échangeur de chaleur 2 définit un quatrième volume de référence V4, et le rapport du quatrième volume de référence V4 et du deuxième volume de référence V2 est supérieur à 0,65 de préférence supérieur à 0,95.
[73] Autrement dit, la zone d’échange thermique du premier échangeur de chaleur 2 qui sert à assurer le sous-refroidissement du fluide réfrigérant contribue également à créer une zone de stockage de fluide réfrigérant. Cette contribution s’ajoute aux zones déjà définies aux paragraphes précédents. Le quatrième volume de référence V4 est ainsi la somme du troisième volume de référence V3, déjà calculé, et du volume de la partie du premier échangeur de chaleur 2 assurant le sous-refroidissement du fluide réfrigérant.
[74] La figure 4 est une autre variante du mode de réalisation de la figure 2. Selon cette variante, le premier échangeur de chaleur 2 est configuré pour échanger de la chaleur avec un liquide caloporteur circulant dans un circuit de liquide caloporteur 40.
[75] Autrement dit, le premier fluide caloporteur Fc est dans ce cas un liquide caloporteur. Un mélange d’eau et de glycol peut par exemple être utilisé. Le premier échangeur de chaleur 2 est ici un échangeur bifluide, configuré pour permettre les échanges thermiques entre le fluide réfrigérant circulant dans le circuit 50 et le fluide caloporteur circulant dans le circuit 40.
[76] Le circuit de liquide caloporteur 40 comporte un cinquième échangeur de chaleur 25 configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air intérieur Fi à l’habitacle du véhicule. Le chauffage de l’habitacle est assuré par le cinquième échangeur de chaleur 25. Pour cela, le circuit 40 de liquide caloporteur récupère la chaleur provenant de la condensation dans l’échangeur bifluide 2 du fluide réfrigérant à haute pression et haute température provenant du dispositif de compression 1 .
[77] Le circuit de liquide caloporteur 40 comporte une pompe 27 configurée pour faire circuler le liquide caloporteur dans le circuit 40. Le circuit de liquide caloporteur 40 comporte aussi un dispositif de chauffage 26 configuré pour chauffer le liquide caloporteur. Le dispositif de chauffage 26 est un chauffage électrique. Le chauffage 26 permet ainsi de compléter l’action de l’échangeur bifluide 2 afin de chauffer le liquide caloporteur. Le circuit de liquide caloporteur 40 comporte également un sixième échangeur de chaleur 28 configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air extérieur Fe à un habitacle du véhicule. Le sixième échangeur de chaleur 28 permet ainsi de refroidir le liquide caloporteur, dans les modes de fonctionnement où un tel refroidissement est requis.
[78] Selon les modes de réalisation représentés sur les figures 2, 3, 4, le système de conditionnement thermique 100 comporte une troisième branche de dérivation D reliant un cinquième point de raccordement 15 disposé sur la boucle principale et compris entre le quatrième point de raccordement 14 et le deuxième dispositif de détente 5 à un sixième point de raccordement 16 disposé sur la boucle principale A et compris entre le deuxième point de raccordement 12 et le dispositif d’accumulation 7, la troisième branche de dérivation D comportant un troisième dispositif de détente 10 disposé en amont d’un quatrième échangeur de chaleur 20. Le cinquième point de raccordement 15 est disposé sur la boucle principale A en aval du quatrième point de raccordement 14 et en amont du deuxième dispositif de détente 5. Le sixième point de raccordement 16 est disposé sur la boucle principale A en aval du deuxième point de raccordement 12 et en amont du dispositif d’accumulation 7. Selon une variante non représentée, le cinquième point de raccordement 15 peut être confondu avec le quatrième point de raccordement 14. De même, le sixième point de raccordement 16 peut être confondu avec le deuxième point de raccordement 12.
[79] Selon une variante non représentée, la troisième branche de dérivation D relie un cinquième point de raccordement 15 disposé sur la boucle principale et compris entre le quatrième point de raccordement 14 et le deuxième dispositif de détente 5 à un sixième point de raccordement 16 disposé sur la première branche de dérivation B et compris entre la première vanne d’arrêt 8 et le deuxième point de raccordement 12, la troisième branche de dérivation D comportant un troisième dispositif de détente 10 disposé en amont d’un quatrième échangeur de chaleur 20. Cette variante est équivalente d’un point de vue thermodynamique à la variante des figures 2, 3 et 4.
[80] Le quatrième échangeur de chaleur 20 est configuré pour être couplé thermiquement avec un élément 30 d’une chaine de traction électrique du véhicule. Autrement dit, le troisième échangeur de chaleur 20 est configuré pour échanger de la chaleur avec l’élément 30 de la chaine de traction du véhicule. L’échange de chaleur peut être direct, c’est-à-dire que l’échangeur 20 est en contact avec l’élément 30. L’échange de chaleur peut être indirect, c’est-à-dire que l’échange de chaleur entre l’élément 30 et le quatrième échangeur de chaleur 20 se produit par l’intermédiaire d’un liquide caloporteur circulant dans un circuit fermé. L’élément 30 de la chaine de traction électrique peut être une batterie 30 de stockage d’énergie électrique. La batterie 30 peut fournir l’énergie électrique à un moteur électrique de traction du véhicule. L’élément 30 de la chaine de traction électrique peut être un module électronique de pilotage d’un moteur électrique de traction du véhicule.
[81] Selon un aspect du système de conditionnement thermique, une somme d’un volume interne d’une portion de boucle principale s’étendant depuis une sortie 4b du deuxième échangeur de chaleur 4 jusqu’au premier point de raccordement 11 et d’un volume interne d’une portion de première branche de dérivation B s’étendant depuis le premier point de raccordement 11 jusqu’à une entrée 8a de la première vanne d’arrêt 8 définit un cinquième volume de référence V5, et le cinquième volume de référence est inférieur à 0,03 litre.
[82] Le rapport du cinquième volume de référence V5 et du deuxième volume de référence V2 est inférieur à 0,5 de préférence inférieur à 0,1 .
[83] Autrement dit, il est souhaitable que le cinquième volume de référence ait une valeur faible.
[84] Comme schématisé notamment sur la figure 2, la boucle principale A comporte un clapet antiretour 23 disposé entre le premier point de raccordement 11 et le quatrième point de raccordement 14, une longueur d’une portion de boucle principale A s’étendant depuis le premier point de raccordement 11 jusqu’au clapet antiretour 23 définit une première distance de référence d1 et une longueur d’une portion de boucle principale A s’étendant depuis le clapet antiretour 23 jusqu’au quatrième point de raccordement 14 définit une deuxième distance de référence d2, et le rapport de la première distance de référence d1 et de la deuxième distance de référence d2 est inférieur à 0,5.
[85] De préférence, un volume d’une portion de boucle principale A s’étendant depuis le premier point de raccordement 11 jusqu’au clapet antiretour 23 est inférieur à 0,03 litre. Autrement dit, le volume de la portion de boucle principale A correspondant à la première distance de référence d1 et inférieur à 0,03 litre.
[86] Selon une variante de réalisation du système de conditionnement thermique 100, dont une partie est schématisée sur la figure 5, la portion de boucle principale s’étendant depuis une sortie 2b du premier échangeur de chaleur 2 jusqu’à une entrée 3a du premier dispositif de détente 3 comporte une première partie possédant une première section de passage S1 de fluide réfrigérant et une deuxième partie possédant une deuxième section de passage S2 de fluide réfrigérant, le rapport entre la deuxième section de passage S2 et la première section de passage S1 étant supérieur à 2. On entend par section de passage à un emplacement donné du circuit de fluide réfrigérant la surface d’une section droite du circuit à cet emplacement.
[87] Autrement dit, la portion de boucle principale s’étendant depuis une sortie 2b du premier échangeur de chaleur 2 jusqu’à une entrée 3a du premier dispositif de détente 3 ne possède pas une section de passage constante. Un volume additionnel est ajouté aux tubes de circulation de fluide réfrigérant. Ce volume additionnel permet de constituer une zone de stockage du réfrigérant liquide. Ce volume additionnel permet également de réduire le bruit provoqué par la circulation du fluide réfrigérant, en particulier lors des variations brusques de pression.
[88] Selon un mode de réalisation du système de conditionnement thermique, schématisé sur la figure 5, un diamètre interne d’une portion de boucle principale comprise entre une sortie 2b du premier échangeur de chaleur 2 et une entrée 3a du premier dispositif de détente 3 est supérieur à 13 millimètres, de préférence supérieur à 15 millimètres. Autrement dit, les tubes utilisés pour réaliser cette portion de boucle principale possèdent un diamètre supérieur à celui des solutions selon l’art antérieur, afin de constituer une zone de stockage du fluide réfrigérant liquide.
[89] Le système de conditionnement thermique 100 peut fonctionner selon divers modes de fonctionnements, suivant le débit et la pression du fluide réfrigérant circulant dans la boucle principale A ainsi que dans les différentes branches de dérivation B, C, D.
[90] Selon un mode de réalisation, le système de conditionnement thermique 100 peut également mettre en oeuvre un procédé de fonctionnement dans un mode dit de refroidissement, dans lequel :
- le fluide réfrigérant circule dans le dispositif de compression 1 où il passe à haute pression, et circule successivement dans le premier échangeur de chaleur 2 sans céder de chaleur au flux d’air intérieur Fi, dans le premier dispositif de détente 3, dans le deuxième échangeur de chaleur 4 où il cède de la chaleur du flux d’air extérieur Fe et passe à l’état liquide,
- dans le deuxième dispositif de détente 5 où il passe à basse pression, dans le troisième échangeur de chaleur 6 où il passe à l’état gazeux et absorbe de la chaleur du flux d’air intérieur Fi, dans le dispositif d’accumulation 7,
- puis le fluide réfrigérant à basse pression retourne au dispositif de compression 2. Ce procédé de fonctionnement s’applique par exemple au mode de réalisation de la figure 3.
[91] Selon un autre mode de réalisation, le système de conditionnement thermique 100 peut également mettre en oeuvre un procédé de fonctionnement dans un autre mode dit de refroidissement dans lequel :
- le fluide réfrigérant circule dans le dispositif de compression 1 où il passe à haute pression, et circule successivement dans le premier échangeur de chaleur 2 où il cède de la chaleur au liquide caloporteur et passe à l’état liquide, dans le premier dispositif de détente 3, dans le deuxième échangeur de chaleur 4,
- dans le deuxième dispositif de détente 5 où il passe à basse pression, dans le troisième échangeur de chaleur 6 où il passe à l’état gazeux et absorbe de la chaleur du flux d’air intérieur Fi, dans le dispositif d’accumulation 7,
- puis le fluide réfrigérant à basse pression retourne au dispositif de compression 2. Ce procédé de fonctionnement s’applique par exemple au mode de réalisation de la figure 4.
[92] Le système de conditionnement thermique 100 peut également mettre en oeuvre un procédé de fonctionnement dans un mode dit de déshumidification parallèle, dans lequel :
- le fluide réfrigérant circule dans le dispositif de compression 1 où il passe à haute pression, et circule successivement dans le premier échangeur de chaleur 2 où il cède de la chaleur au fluide caloporteur et passe à l’état liquide,
- le fluide réfrigérant se divise entre un premier débit circulant dans la boucle principale A et un deuxième débit circulant dans la deuxième branche de dérivation C,
- le premier débit circule dans le premier dispositif de détente 3 où il passe à basse pression, dans le deuxième échangeur de chaleur 4 où il absorbe de la chaleur du flux d’air extérieur Fe et passe à l’état gazeux, puis circule dans la première branche de dérivation B,
- le deuxième débit rejoint la boucle principale A en amont du deuxième dispositif de détente 5 où il passe à basse pression, et circule dans le troisième échangeur de chaleur 6 où il absorbe de la chaleur du flux d’air intérieur Fi et passe à l’état gazeux,
- le premier débit et le deuxième débit se rejoignent au deuxième point de raccordement 12, puis circulent dans le dispositif d’accumulation 7,
- puis le fluide réfrigérant à basse pression retourne au dispositif de compression 2.
[93] Dans ce mode de déshumidification parallèle, le fluide réfrigérant à basse pression circule à la fois dans le premier échangeur de chaleur 2, dans le deuxième échangeur de chaleur 4 et dans le troisième échangeur de chaleur 6.
[94] Le système de conditionnement thermique 100 peut également fonctionner dans des modes assurant un refroidissement ou un chauffage de l’élément 30 de la chaine de traction électrique.

Claims

24
Revendications Système de conditionnement thermique (100) pour véhicule automobile, comprenant un circuit (50) de fluide réfrigérant configuré pour faire circuler un fluide réfrigérant, le circuit (50) de fluide réfrigérant comportant : une boucle principale (A) comprenant successivement selon le sens de parcours du fluide réfrigérant :
-- un dispositif de compression (1 ),
-- un premier échangeur de chaleur (2) configuré pour échanger de la chaleur avec un premier fluide caloporteur (Fc),
-- un premier dispositif de détente (3),
-- un deuxième échangeur de chaleur (4) configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air extérieur (Fe) à un habitacle du véhicule, -- un deuxième dispositif de détente (5),
-- un troisième échangeur de chaleur (6) configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air intérieur (Fi) à l’habitacle du véhicule, -- un dispositif d’accumulation (7) de fluide réfrigérant, une première branche de dérivation (B) reliant un premier point de raccordement (11 ) disposé sur la boucle principale (A) et compris entre le deuxième échangeur de chaleur (4) et le deuxième dispositif de détente (5) à un deuxième point de raccordement (12) disposé sur la boucle principale (A) et compris entre le troisième échangeur de chaleur (6) et le dispositif d’accumulation (7), la première branche de dérivation (B) comportant une première vanne d’arrêt (8), dans lequel un volume interne d’une portion de boucle principale (A) s’étendant depuis une sortie (2b) du premier échangeur de chaleur (2) jusqu’à une entrée (3a) du premier dispositif de détente (3) définit un premier volume de référence (V1 ), dans lequel un volume interne du dispositif d’accumulation (7) définit un deuxième volume de référence (V2), et dans lequel le rapport (R1) du premier volume de référence (V1 ) et du deuxième volume de référence (V2) est supérieur à 0,2 de préférence supérieur à 0,4.
2. Système de conditionnement thermique (100) selon la revendication 1 , dans lequel le deuxième volume de référence (V2) est inférieur à 0,65 litre.
3. Système de conditionnement thermique (100) selon la revendication 1 ou 2, comportant une deuxième branche de dérivation (C) reliant un troisième point de raccordement (13) disposé sur la boucle principale (A) et compris entre le premier échangeur de chaleur (2) et le premier dispositif de détente (3) à un quatrième point de raccordement (14) disposé sur la boucle principale (A) et compris entre le premier point de raccordement (11 ) et le deuxième dispositif de détente (5), la deuxième branche de dérivation (C) comportant une deuxième vanne d’arrêt (9), dans lequel la somme du premier volume de référence (V1 ) et d’un volume interne d’une portion de deuxième branche de dérivation (C) s’étendant depuis le troisième point de raccordement (13) jusqu’à une entrée (9a) de la vanne d’arrêt (9) définit un troisième volume de référence (V3), et dans lequel le rapport du troisième volume de référence (V3) et du deuxième volume de référence (V2) est supérieur à 0,3 de préférence supérieur à 0,5.
4. Système de conditionnement thermique (100) selon la revendication 3, dans lequel le premier échangeur de chaleur (2) comporte une première section (21 ) d’échange thermique configurée pour assurer une condensation du fluide réfrigérant et une deuxième section (22) d’échange thermique configurée pour assurer un sous-refroidissement du fluide réfrigérant, dans lequel la somme du troisième volume de référence (V3) et d’un volume interne de la deuxième section d’échange thermique (22) du premier échangeur de chaleur (2) définit un quatrième volume de référence (V4), et dans lequel le rapport du quatrième volume de référence (V4) et du deuxième volume de référence (V2) est supérieur à 0,65 de préférence supérieur à 0,95. Système de conditionnement thermique (100) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier échangeur de chaleur (2) est configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air intérieur (Fi) à l’habitacle du véhicule. Système de conditionnement thermique (100) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier échangeur de chaleur (2) est configuré pour échanger de la chaleur avec un liquide caloporteur circulant dans un circuit de liquide caloporteur (40), et dans lequel le circuit de liquide caloporteur (40) comporte un cinquième échangeur de chaleur (25) configuré pour échanger de la chaleur avec un flux d’air intérieur (Fi) à l’habitacle du véhicule. Système de conditionnement thermique (100) selon la revendication 3 ou selon l’une des revendications 4 à 6 en combinaison avec la revendication 3, comportant une troisième branche de dérivation (D) reliant un cinquième point de raccordement (15) disposé sur la boucle principale et compris entre le quatrième point de raccordement (14) et le deuxième dispositif de détente (5) à un sixième point de raccordement (16) disposé sur la boucle principale (A) et compris entre le deuxième point de raccordement (12) et le dispositif d’accumulation (7), la troisième branche de dérivation (D) comportant un troisième dispositif de détente (10) disposé en amont d’un quatrième échangeur de chaleur (20). Système de conditionnement thermique (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une somme d’un volume interne d’une portion de boucle principale s’étendant depuis une sortie (4b) du deuxième échangeur de chaleur (4) jusqu’au premier point de raccordement (11 ) et d’un volume interne d’une portion de première branche de dérivation (B) s’étendant depuis le premier point de raccordement (11 ) jusqu’à une entrée (8a) de la première vanne d’arrêt (8) 27 définit un cinquième volume de référence (V5), et dans lequel le cinquième volume de référence est inférieur à 0,03 litre.
9. Système de conditionnement thermique (100) selon la revendication précédente, dans lequel le rapport du cinquième volume de référence (V5) et du deuxième volume de référence (V2) est inférieur à 0,5 de préférence inférieur à 0,1 .
10. Système de conditionnement thermique (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel un diamètre interne d’une portion de boucle principale comprise entre une sortie (2b) du premier échangeur de chaleur (2) et une entrée (3a) du premier dispositif de détente (3) est supérieur à 13 millimètres, de préférence supérieur à 15 millimètres.
11. Système de conditionnement thermique (100) selon la revendication 3 ou selon l’une des revendications 4 à 10 en combinaison avec la revendication 3, dans lequel la boucle principale (A) comporte un clapet antiretour (23) disposé entre le premier point de raccordement (11 ) et le quatrième point de raccordement (14), dans lequel une longueur d’une portion de boucle principale (A) s’étendant depuis le premier point de raccordement (11 ) jusqu’au clapet antiretour (23) définit une première distance de référence (D1 ) et dans lequel une longueur d’une portion de boucle principale (A) s’étendant depuis le clapet antiretour (23) jusqu’au quatrième point de raccordement (14) définit une deuxième distance de référence (D2), et dans lequel le rapport de la première distance de référence (D1 ) et de la deuxième distance de référence (D2) est inférieur à 0,5 et dans lequel un volume d’une portion de boucle principale (A) s’étendant depuis le premier point de raccordement (11 ) jusqu’au clapet antiretour (23) est inférieur à 0,03 litre. 28 Système de conditionnement thermique (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une portion de boucle principale s’étendant depuis une sortie (2b) du premier échangeur de chaleur (2) jusqu’à une entrée (3a) du premier dispositif de détente (3) comporte une première partie possédant une première section de passage (S1) de fluide réfrigérant et une deuxième partie possédant une deuxième section de passage (S2) de fluide réfrigérant, le rapport entre la deuxième section de passage (S2) et la première section de passage (S1) étant supérieur à 2.
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