FR2820687A1

FR2820687A1 - Appareil de climatisation pour vehicule

Info

Publication number: FR2820687A1
Application number: FR0200323A
Authority: FR
Inventors: Takenori Sakamoto
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2002-08-16
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: JP4511061B2; FR2820687B1; JP2002240539A; DE10200900B4; DE10200900A1

Abstract

L'invention concerne un appareil de climatisation pour véhicule.Cet appareil comprend une amenée d'air (1) dans laquelle sont montés un souffleur (2), un évaporateur (3) et un noyau chauffant (4), un circuit de refroidissement (50) se composant d'un compresseur (11), d'un premier condenseur (12), d'un premier récepteur (13), et dudit évaporateur (3), un circuit à eau (70) se composant d'un moteur (6), d'une pompe à eau (7) montés sur un trajet aller (8), dudit noyau chauffant (4) et d'un trajet de retour (9). Un circuit de pompe de chaleur (60) se composant d'un by-pass (A), un second condenseur (16), le second récepteur (20), la seconde soupape de détente (21), et un échangeur thermique (15) sont connectés à l'orifice d'admission et à l'orifice de sortie dudit compresseur (11) en parallèle avec ledit circuit de refroidissement (50). Ledit circuit de pompe de chaleur (60) pompe la chaleur de l'eau s'écoulant hors dudit noyau chauffant (4) par l'intermédiaire dudit échangeur thermique (15) et décharge cette chaleur dans l'air circulant à travers ladite amenée d'air (1) par l'intermédiaire dudit second condenseur (16).

Description

APPAREIL DE CLIMATISATION POUR VEHICULE DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un appareil de climatisation pour véhicule. En particulier, la présente invention concerne un appareil de climatisation d'un véhicule qui présente une capacité de chauffage améliorée, même dans une condition de température ambiante très basse.

ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
Sur la figure 1, un appareil de climatisation classique 300 pour véhicule est représenté. Cet appareil de climatisation 300 comprend principalement un circuit à eau 100 dans lequel circule une eau de refroidissement de moteur, et un circuit de refroidissement 200 dans lequel circule le réfrigérant. Le circuit à eau 100 comprend un moteur 101, une pompe à eau 102, et un noyau chauffant 103 disposé dans une amenée d'air 108. Le circuit de refroidissement 200 comprend un compresseur 201, un condenseur 202, un récepteur 203, une soupape de détente 204, et un évaporateur 205 disposé dans l'amenée d'air 108.

Dans l'amenée d'air 108 sont disposés dans cet ordre un souffleur 105, l'évaporateur 205, un registre de mélange d'air 106, le noyau chauffant 103, et un registre 107. Le souffleur 105 aspire l'air et le souffle dans la direction du registre 107 dans l'amenée d'air 108. Lors de son passage à travers l'évaporateur 205, l'air est refroidi. Lors de son passage dans le noyau chauffant 103, l'air est réchauffé. En contrôlant une position angulaire du registre de mélange d'air 106, il est possible de contrôler le rapport de la quantité d'air qui contourne le noyau chauffant 103 et la quantité d'air qui évite le noyau chauffant 103. L'air dont la température a ainsi été conditionnée est ensuite déchargé dans l'habitacle du véhicule.

Lorsqu'il se trouve dans un mode de refroidissement maximal, cet appareil de climatisation 300 ferme complètement le noyau chauffant 103 avec le registre de mélange d'air 106 et fait fonctionner à plein régime le circuit de refroidissement 200. A l'inverse, lorsqu'il se trouve dans un mode de chauffage maximal, l'appareil de climatisation 300 ouvre complètement le registre de mélange d'air 106 de manière à exposer le noyau chauffant 103 à l'air qui passe, et arrête le

fonctionnement du circuit de refroidissement 200 et chauffe l'air grâce au circuit à eau 100.

Toutefois, cet appareil de climatisation classique 300 présente l'inconvénient que, lors du démarrage du moteur du véhicule dans une condition de température ambiante très froide (par exemple de -20oC), il ne peut pas chauffer suffisamment l'habitacle du véhicule avec la chaleur déchargée à partir du noyau chauffant 103 seul. De plus, étant donné que les moteurs récents sont conçus pour fonctionner de manière extrêmement efficace et avec une émission de chaleur réduite, la chaleur distribuée à partir du moteur 101 vers le circuit à eau 100 a tendance à être davantage réduite.

Afin de résoudre le problème susmentionné, différents dispositifs ont été proposés. Par exemple, les publications de brevets japonais 10-166847,10-297270, 11-198638 peuvent être citées ici. Dans ces documents de référence, il est proposé un procédé d'utilisation d'une autre source de chaleur, par exemple la chaleur de l'échappement de l'automobile, ou un procédé de génération de chaleur par un gaz chaud du circuit de refroidissement. Toutefois, la plupart des procédés proposés dans ces documents de référence ne sont pas en mesure de fournir assez de chaleur.

Sur la figure 2, des courbes de simulation de la température de l'air passant à travers le noyau chauffant 103, de la température de l'eau s'écoulant dans le noyau chauffant, et de la température de l'eau s'écoulant hors du noyau chauffant, sont représentées pour un état dans lequel un moteur d'un véhicule est démarré dans un état de température ambiante très basse (-20oC). Dans la simulation, on suppose que le moteur est du type à émission de chaleur faible très efficace. L'auteur de la présente invention, percevant la chaleur résiduelle substantielle dans l'eau s'écoulant hors du noyau chauffant 103, a proposé une manière d'utiliser cette chaleur dans la demande de brevet japonais 2000-62913, avant de mettre en application la présente invention. La figure représentative de la demande de brevet japonais 2000-62913 est représentée sur la figure 3.

En faisant référence à la figure 3, le circuit à eau 400 comprend un moteur 406, une pompe à eau 407, un noyau chauffant 404, et un échangeur thermique 415. Un circuit partiel comprenant un compresseur 511, un trajet 517, un échangeur thermique 503, un

détendeur 519, et un échangeur thermique 415 dans un circuit de refroidissement 500, fonctionne en tant que pompe de chaleur. La chaleur de l'eau dans le circuit à eau 400 est absorbée par la pompe de chaleur par l'intermédiaire de l'échangeur thermique 415. Cette chaleur absorbée est déchargée dans l'air par l'intermédiaire de l'échangeur thermique 503 dans une amenée d'air 501. L'objet de la demande de brevet japonais 2000-62913 est de chauffer doublement l'air circulant à travers l'amenée 501 à la fois par l'échangeur thermique 503 et par le noyau chauffant 404. En fait, on peut confirmer en réalisant une expérience qu'une chaleur suffisante peut être absorbée de l'eau par l'intermédiaire de l'échangeur thermique 415, et qu'ensuite, cette chaleur peut également être déchargée dans l'air par l'intermédiaire de l'échangeur thermique 503.

Toutefois, la configuration représentée sur la figure 3 pose encore le problème suivant. En faisant de nouveau référence à la figure 2, les différentes températures se stabilisent environ 40 minutes après le démarrage du moteur. En particulier, la température de l'air de sortie du noyau chauffant (la courbe la plus basse) atteint environ 40oC. Mais, en même temps, la température du corps de l'échangeur thermique 503

dans l'amenée d'air 501 atteint environ 70 C en raison de l'action du circuit à pompe de chaleur. En faisant de nouveau référence à la figure 3, le noyau chauffant 404 qui est réchauffé à environ 40 C se trouve dans l'amenée d'air 501 en aval de l'échangeur thermique 503 qui est davantage chauffé, à une température aussi élevée que 70oC. Par conséquent, dans cet agencement, l'air chauffé d'abord par l'échangeur thermique 503 est ensuite refroidi par le noyau chauffant 404, contrairement au but initial de renforcement de la capacité de chauffage de l'appareil. Ainsi, le procédé d'amélioration de la capacité de chauffage par la configuration classique représentée sur la figure 3 est en contradiction avec l'agencement de l'échangeur thermique 503 et le noyau chauffant 404.

RESUME DE L'INVENTION
Le premier objet de la présente invention est de fournir un appareil de climatisation pour véhicule qui améliore la capacité de chauffage en utilisant la chaleur restante dans le trajet de retour du circuit à eau. Dans ce but, un circuit de pompe de chaleur est ajouté au

circuit de refroidissement classique. Ce circuit de pompe de chaleur sert à absorber la chaleur provenant du trajet de retour du circuit à eau et à décharger cette chaleur dans l'air par l'intermédiaire du second condenseur supplémentaire qui est prévu dans l'amenée d'air. Le noyau chauffant et le second condenseur sont disposés dans cet ordre dans la direction de circulation de l'air. Le second objet de la présente invention est de réduire le nombre de parties requises pour composer l'appareil de climatisation décrit ci-dessus.

D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation préférés en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels : BREVE DESCRIPTION DES DESSINS la figure 1 est un schéma de circuit d'un appareil de climatisation classique pour véhicule ; la figure 2 est un graphique représentant les courbes des différentes températures du noyau chauffant après le démarrage du moteur dans une condition de température ambiante froide ; la figure 3 est également un schéma de circuit d'un appareil de climatisation d'un véhicule classique ; la figure 4 est un schéma de circuit d'un mode de réalisation de la présente invention, représentant un fonctionnement des circuits dans une condition de température ambiante froide ; la figure 5 est identique à la figure 4, mais elle représente un fonctionnement des circuits dans un mode de chauffage normal ; la figure 6 est identique à la figure 4, mais elle représente un fonctionnement des circuits dans un mode de climatisation normal ; la figure 7 est un diagramme similaire du circuit de refroidissement de la figure 4 ; la figure 8 est une variante de la figure 7 ; et la figure 9 est une autre variante de la figure 8.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PREFERES
Sur les figures 4 à 6, l'appareil de climatisation pour véhicule selon la présente invention est représenté. Sur la figure 4, un trajet de circuit fonctionnant dans une condition de température ambiante froide

est marqué en traits gras. Sur la figure 5, un trajet de circuit fonctionnant dans un mode de climatisation normal est marqué en traits forts. Sur la figure 6, un trajet de circuit fonctionnant dans un mode de climatisation normal est marquée en traits gras.

En faisant référence à la figure 4, un souffleur 2, un évaporateur 3, un registre de mélange de l'air 5, un noyau chauffant 4, et le second condenseur 16 sont disposés dans une amenée d'air 1 dans cet ordre.

Sur la figure 4, les circuits activés sont indiqués par des lignes en gras.

Les bornes du circuit de pompe de chaleur 60 comprenant le by-pass A, le second condenseur 16, le second récepteur 20, la seconde soupape de détente 21, un échangeur thermique 15, et un by-pass B, sont connectés à l'orifice de décharge du compresseur 11 par l'intermédiaire d'une vanne à trois voies 17 et à l'orifice d'aspiration du compresseur 11. Le circuit à eau 70 comprend un moteur 6, une pompe à eau 7, le noyau chauffant 4, et l'échangeur thermique 15.

On force l'eau de refroidissement du moteur (ci-après désignée simplement par eau) qui est chauffée par le moteur 6 à circuler à travers un trajet d'aller 8 et un trajet de retour 9. L'eau chauffée décharge la chaleur par l'intermédiaire du noyau chauffant 4 qui se trouve entre le trajet d'aller 8 et le trajet de retour 9 dans l'air passant à travers le noyau chauffant 4. Par l'intermédiaire de l'échangeur thermique 15 qui se trouve à mi-chemin du trajet de retour 9, la chaleur restant encore dans l'eau s'écoulant dans ledit trajet est absorbée par le réfrigérant passant à travers l'échangeur thermique 15.

En faisant référence au circuit de pompe de chaleur 60, après être passé à travers l'échangeur thermique 15, le réfrigérant est aspiré dans le compresseur 11 par l'intermédiaire du by-pass B. Le réfrigérant aspiré par le compresseur 11 est introduit dans le by-pass A par l'intermédiaire de la vanne à trois voies 17. Après être passé à travers le by-pass A, le réfrigérant pénètre dans le second condenseur 16. Là, le réfrigérant se condense et décharge la chaleur dans l'air passant à travers le second condenseur 16. Après être passé à travers le second condenseur 16, le réfrigérant est introduit dans la seconde soupape de détente 21 par l'intermédiaire du second récepteur 20. Là, la pression du réfrigérant est réduite et son volume est dilaté. Après être passé à travers la soupape de détente 21, le réfrigérant est évaporé dans l'échangeur thermique 15 absorbant la chaleur qui reste encore dans

l'eau dans le trajet de retour 9 du circuit à eau 70. En d'autres termes, l'échangeur thermique 15 sert d'évaporateur dans le circuit de pompe de chaleur. Le compresseur 11 peut être un compresseur volumétrique variable commandé de manière externe et contrôlé par une unité de contrôle non représentée sur la figure. L'unité de contrôle peut contrôler la capacité du compresseur 11 de manière appropriée pendant le fonctionnement de la pompe de chaleur, détectant une température de l'eau par une résistance thermosensible 22 reliée à la partie d'admission de l'eau de l'échangeur thermique 15.

Ainsi, en pompant la chaleur restant dans l'eau qui s'écoule à travers le trajet de retour 9 du circuit à eau 70, puis en déchargeant cette chaleur dans l'air circulant dans l'amenée d'air 1 par l'intermédiaire du second condenseur 16, il est possible d'améliorer de manière efficace le pouvoir calorifique total de l'appareil de climatisation du véhicule. En fait, en réalisant une expérience dans une condition de température ambiante très basse (-20oC), les résultats suivants ont été obtenus. Environ 2,5 minutes après le démarrage du moteur, la

température du corps du noyau chauffant 4 atteint environ 10oC, tandis que la température du corps du second condenseur 16 atteint une température aussi élevée que 40oC. Egalement, lorsque la température du corps du noyau chauffant 4 atteint environ 40 C et se stabilise environ 40 minutes après le démarrage du moteur, la température du corps du second condenseur 16 atteint environ 60oC. Ainsi, pour cet appareil de climatisation d'un véhicule, l'ordre de la disposition du noyau chauffant 4 et du second condenseur 16 dans l'amenée d'air 1 est rationnel. De cette façon, l'appareil de climatisation d'un véhicule selon la présente invention peut avoir un pouvoir calorifique considérablement amélioré dans n'importe quelle condition de température ambiante basse.

Sur la figure 5, un trajet du circuit fonctionnant dans un mode de chauffage normal est marqué en traits gras. Dans un mode de chauffage normal, le circuit de pompe de chaleur 60 n'est pas activé. En d'autres termes, le compresseur 11 est arrêté, et seul le circuit à eau 70 est activé. Dans ce mode, en contrôlant la position angulaire du registre de mélange de l'air 5, la température de l'air déchargé dans l'habitacle du véhicule est contrôlée.

Sur la figure 6, un trajet du circuit fonctionnant dans un mode de climatisation normal est représenté. Dans le mode de climatisation normal, un circuit de refroidissement 50 comprenant le compresseur Il, la vanne à trois voies 17, le premier condenseur 12, le premier récepteur 13, la première soupape de détente 14, l'évaporateur 3, et le trajet 10 est activé. Dans ce mode, en commutant la vanne à trois voies 17, le circuit de pompe de chaleur 60 est isolé du circuit de refroidissement 50. Dans ce mode, le circuit à eau 70 peut être activé ou non. Etant donné que le fonctionnement de l'appareil de climatisation du véhicule de ce mode est identique au fonctionnement classique, l'explication concernant celui-ci est omise.

La figure 7 est un schéma de circuit de l'ensemble du circuit de refroidissement comprenant le circuit de refroidissement 50 et le circuit de pompe de chaleur 60 représenté sur la figure 4. Pour une meilleure compréhension, la vanne à trois voies 17 est divisée et représentée par deux soupapes électromagnétiques de l'invention SV, SV'. Le circuit interne comprenant le compresseur 11, la soupape électromagnétique SV', le premier condenseur 12, le premier récepteur 13, la première soupape de détente 14, et l'évaporateur 3 constitue le circuit de refroidissement 50. Le circuit externe comprenant le compresseur 11, la soupape électromagnétique SV, le second condenseur 16, le second récepteur 20, la seconde soupape de détente 21, et l'échangeur thermique 15 constitue le circuit de pompe de chaleur 60 qui fonctionne en cas de condition de température ambiante basse.

La figure 8 est une variante du circuit représenté sur la figure 7.

En faisant référence à la fois à la figure 7 et à la figure 8, le premier récepteur 13 et le second récepteur 20, qui sont représentés en tant que parties séparées sur la figure 7, sont rassemblés pour ne former qu'un seul récepteur commun 31 sur la figure 8. A la place, des soupapes électromagnétiques supplémentaires SV2'et SV2 doivent être prévues au niveau des orifices d'admission de la première soupape de détente 14 et de la seconde soupape de détente 21, respectivement. Les deux soupapes électromagnétiques SV2 et SV2'peuvent se composer d'une seule vanne à trois voies qui est représentée par un signe 32 sur la figure 8.

La figure 9 est une autre variante du circuit représenté sur la figure 8. En faisant référence à la fois à la figure 8 et à la figure 9, la

première soupape de détente 14 et la seconde soupape de détente 21, qui étaient représentées en tant que parties séparées sur la figure 8, sont rassemblées pour ne former qu'une seule soupape de détente commune 33 sur la figure 9. A la place, des soupapes électromagnétiques supplémentaires SV3'et SV3 doivent être prévues au niveau des orifices d'admission de l'évaporateur 3 et de l'échangeur thermique 15, respectivement. Les deux soupapes électromagnétiques SV3 et SV3'peuvent être réalisées sous forme d'une seule vanne à trois voies qui est représentée par un signe 34 sur la figure 9.

Bien que la présente invention ait été décrite en détail en rapport avec un mode de réalisation préféré, elle ne s'y limite pas. L'homme du métier comprendra que des variantes et des modifications peuvent être apportées dans le cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS 1. Appareil de climatisation pour véhicule comprenant : une amenée d'air (1) ; un souffleur (2) disposé dans ladite amenée d'air (1) ; un évaporateur (3) disposé dans ladite amenée d'air (1) ; un noyau chauffant (4) disposé dans ladite amenée d'air (1) ; un circuit de refroidissement (50) se composant d'un compresseur (11), de moyens formant vanne à trois voies (17), d'un premier condenseur (12), d'un premier récepteur (13), d'une première soupape de détente (14), et dudit évaporateur (3) ; un circuit à eau (70) se composant d'un moteur (6), d'une pompe à eau (7) montés sur un trajet aller (8), dudit noyau chauffant (4), et d'un trajet de retour (9) ; caractérisé en ce que : un circuit de pompe de chaleur (60) se composant d'un by-pass (A) qui est connecté auxdits moyens formant vanne à trois voies (17), un second condenseur (16) disposé dans ladite amenée d'air (1), le second récepteur (20), la seconde soupape de détente (21), et un échangeur thermique (15) connecté thermiquement audit trajet de retour (9) dudit circuit à eau (70) sont connectés à l'orifice d'admission et à l'orifice de sortie dudit compresseur (11) en parallèle avec ledit circuit de refroidissement (50), dans lequel ledit circuit de pompe de chaleur (60) pompe la chaleur de l'eau s'écoulant hors dudit noyau chauffant (4) par l'intermédiaire dudit échangeur thermique (15) et décharge cette chaleur dans l'air circulant à travers ladite amenée d'air (1) par l'intermédiaire dudit second condenseur (16).
2. Appareil de climatisation selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que, dans ladite amenée d'air (1), ledit souffleur (2), ledit évaporateur (3), ledit noyau chauffant (4), et ledit second condenseur (16) sont disposés dans cet ordre dans la direction de circulation de l'air.
3. Appareil de climatisation selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que lesdits moyens formant vanne à trois voies (17) font circuler de manière sélective le réfrigérant déchargé à partir dudit compresseur (11) soit dans ledit circuit de refroidissement (50), soit dans ledit circuit de pompe de chaleur (60).

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4. Appareil de climatisation selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que ledit premier récepteur (13) et ledit second récepteur (20) sont rassemblés pour ne former qu'un seul récepteur commun (31) tandis que des moyens formant soupape supplémentaires (SV2', SV2) sont prévus au niveau des orifices d'admission de ladite première soupape de détente (14) et de ladite seconde soupape de détente (21), respectivement.
5. Appareil de climatisation selon la revendication 4, caractérisé en outre en ce que ladite première soupape de détente (14) et ladite seconde soupape de détente (21) sont rassemblées pour ne former qu'une seule soupape de détente commune (33), tandis que des moyens formant soupape supplémentaires (SV3', SV3) sont prévus au niveau des orifices d'admission dudit évaporateur (3) et dudit échangeur thermique (15), respectivement.