DISPOSITIF DE CHAUFFAGE ADDITIONNEL À DOUBLE ÉCHANGEUR, POUR UNE INSTALLATION DE CHAUFFAGE/CLIMATISATION D'UN VÉHICULE À MOTEUR L'invention concerne les installations de chauffage/climatisation qui équipent certains véhicules à moteur, éventuellement de type automobile. Comme le sait l'homme de l'art, certaines installations de chauffage/ climatisation de véhicules à moteur, éventuellement automobiles, ne disposent pas, dans certaines phases de vie, d'une puissance thermique suffisante pour chauffer efficacement et rapidement l'habitacle. C'est notamment le cas de certains moteurs du type dit à injection directe , comme par exemple certains moteurs diesels. En fait, lorsqu'il fait froid ou très froid et que la température du moteur est basse (par exemple au démarrage), il ne peut pas réchauffer de façon suffisante le liquide caloporteur qui circule dans la branche de la boucle chaude (ou de chauffage) de l'installation de chauffage/climatisation qui le traverse. Par conséquent, l'aérotherme de cette boucle chaude, qui sert à réchauffer l'air qui alimente l'habitacle, est parcouru par un fluide caloporteur qui n'est pas suffisamment chaud pour réchauffer ledit air. Il en résulte une montée en température assez lente qui peut constituer une gêne pour les passagers. On entend ici par aérotherme un échangeur de chaleur de type air/liquide (ou fluide caloporteur).
Afin de remédier à cet inconvénient certaines installations de chauffage/climatisation comprennent un ou plusieurs dispositifs de chauffage additionnels, comme par exemple des résistances électriques de chauffage (ou CTPs) et/ou un réchauffeur de type brûleur et/ou un type particulier de pompe à chaleur (voir le document brevet FR 2836657) et/ou un dispositif de récupération thermique à l'échappement (ou RTE). Hélas, ces dispositifs de chauffage additionnels sont relativement onéreux et/ou présentent une efficacité limitée et/ou induisent une augmentation de la consommation de carburant. L'invention a donc pour but de proposer un dispositif de chauffage additionnel alternatif qui ne présente pas tout ou partie des inconvénients précités.
Elle propose plus précisément à cet effet un dispositif de chauffage additionnel destiné à faire partie d'une installation de chauffage/climatisation d'un véhicule à moteur, comprenant : - une boucle chaude comportant au moins un aérotherme et un premier circuit, dans lequel circule un fluide caloporteur et comportant une première branche traversant le moteur, une deuxième branche couplée à une première sortie de la première branche et à une entrée de l'aérotherme, une troisième branche couplée à une sortie de l'aérotherme et à une entrée de la première branche, et une quatrième branche (dite de dérivation (ou by-pass )) couplée à une seconde sortie de la première branche et à l'entrée de la première branche, et - une boucle froide comportant un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un deuxième circuit, dans lequel circule un fluide frigorigène et comprenant une première branche couplée à une sortie du compresseur et à une entrée du condenseur, une deuxième branche couplée à une sortie du condenseur et à une entrée de l'évaporateur et une troisième branche couplée à une sortie de l'évaporateur et à une entrée du compresseur. Ce dispositif de chauffage additionnel se caractérise par le fait qu'il comprend : - des moyens de réchauffage agencés pour réchauffer par échange thermique le fluide caloporteur qui circule dans la deuxième branche du premier circuit avec du fluide frigorigène qui est issu de la première branche du second circuit, et - des moyens d'évaporation agencés pour évaporer par échange thermique le fluide frigorigène qui est issu des moyens de réchauffage avec le fluide caloporteur qui circule dans la quatrième branche du premier circuit. Le dispositif de chauffage additionnel selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - ses moyens de réchauffage peuvent comprendre un condenseur additionnel alimenté en fluide frigorigène issu de la première branche du second circuit, agencé pour réchauffer par échange thermique le fluide caloporteur qui circule dans la deuxième branche du premier circuit, et délivrant en sortie le fluide frigorigène ayant servi au réchauffage du fluide caloporteur ; - le condenseur additionnel peut comprendre un premier sous-échangeur, comportant une entrée et une sortie connectées à la deuxième branche du premier circuit, et un deuxième sous-échangeur comprenant une entrée couplée à la première branche du deuxième circuit et une sortie couplée à l'entrée des moyens d'évaporation ; - ses moyens d'évaporation peuvent comprendre i) des moyens de détente comportant une entrée alimentée en fluide frigorigène issu de la sortie des moyens de réchauffage et une sortie délivrant un fluide frigorigène basse pression, et ii) un évaporateur additionnel alimenté en fluide frigorigène basse pression issu de la sortie des moyens de détente, agencé pour refroidir par échange thermique le fluide caloporteur qui circule dans la quatrième branche du premier circuit, et alimentant en fluide frigorigène la troisième branche du second circuit ; - l'évaporateur additionnel peut comprendre i) un troisième sous-échangeur comprenant une entrée et une sortie connectées à la quatrième branche du premier circuit, et ii) un quatrième sous-échangeur comprenant une entrée couplée à la sortie des moyens de détente et une sortie couplée à la troisième branche du deuxième circuit ; - ses moyens de réchauffage et ses moyens d'évaporation peuvent être regroupés au sein d'un double échangeur à détendeur ; - il peut comprendre une première vanne comportant une entrée et une première sortie connectées à la première branche du deuxième circuit et une seconde sortie couplée à l'entrée des moyens de réchauffage ; - il peut comprendre une seconde vanne comportant une première entrée et une sortie connectées à la troisième branche du deuxième circuit et une seconde entrée couplée à la sortie des moyens d'évaporation. L'invention propose également une installation de chauffage/ climatisation comprenant un dispositif de chauffage additionnel du type de celui présenté ci-avant.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et du dessin annexé, sur lequel l'unique figure illustre schématiquement et fonctionnellement une partie d'une installation de chauffage/climatisation de véhicule automobile équipée d'un exemple de réalisation d'un dispositif de chauffage additionnel selon l'invention. Le dessin annexé pourra non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. L'invention a pour but de proposer un dispositif de chauffage additionnel (D) destiné à équiper une installation de chauffage/climatisation (IC) d'un véhicule à moteur, éventuellement de type automobile. On a schématiquement représenté sur l'unique figure une installation de chauffage/climatisation IC, selon l'invention, couplée à un moteur M d'un véhicule. Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que l'installation de chauffage/climatisation IC fait partie d'un véhicule automobile, comme par exemple une voiture. Mais, l'invention n'est pas limitée à cette application. Elle concerne en effet tout type d'installation de chauffage/ climatisation pouvant être couplée au moteur d'un véhicule. Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, que le moteur M est un moteur à injection directe, comme par exemple un moteur diesel. Mais, l'invention n'est pas limitée à ce type de moteur. Comme illustré, une installation de chauffage/climatisation IC comprend une boucle chaude (ou boucle de chauffage) pour le chauffage de l'air destiné à l'habitacle de la voiture et une boucle froide (ou boucle de climatisation) pour le refroidissement de l'air destiné audit habitacle. La boucle chaude comprend classiquement au moins un aérotherme A (qui est situé dans ce que l'on appelle le groupe de climatisation et qui fournit l'air chaud destiné à l'habitacle), une pompe P et un premier circuit Cl dans lequel circule un fluide caloporteur alimentant l'aérotherme A, ainsi qu'éventuellement au moins un radiateur EC (qui est situé dans ce que l'on appelle la façade de refroidissement et qui est chargé de refroidir une partie du fluide caloporteur) et un troisième circuit C3 dans lequel circule ledit fluide caloporteur et alimentant le radiateur EC. On notera que ce radiateur EC n'intervient pas dans l'invention. Comme indiqué dans la partie introductive, on entend ici par aérotherme un échangeur de chaleur de type air/liquide (l'air étant issu de l'extérieur de l'habitacle et/ou de l'intérieur de l'habitacle (air recirculé), et le liquide étant le fluide caloporteur). Par ailleurs, on notera que la boucle chaude comprend généralement d'autres éléments non représentés, comme par exemple (et notamment) des échangeurs de chaleur destinés au refroidissement de certains organes du moteur, des durites et au moins un thermostat. Les premier Cl et troisième C3 circuits sont matérialisés en pointillés sur l'unique figure. Le premier circuit Cl comprend classiquement quatre branches. On entend ici par branche un conduit ou tuyau ou plusieurs portions d'un conduit ou tuyau couplées entre elles par un petit équipement, comme par exemple une vanne. Une première branche B11 traverse le moteur M afin de profiter de la chaleur dégagée par ce dernier (M) pour réchauffer le fluide caloporteur. Par exemple et comme illustré non limitativement, la première branche B11 peut comporter à son extrémité (située à la sortie du moteur M) un boîtier d'entrée/sortie de fluide caloporteur BD chargé d'aiguiller ou répartir le fluide caloporteur qui a traversé le moteur M vers la deuxième branche B12 et/ou la quatrième branche B14 et/ou le troisième circuit C3. Ce boîtier BD comprend une première sortie couplée à la deuxième branche B12, une deuxième sortie couplée à la quatrième branche B14 et une troisième sortie couplée au troisième circuit C3. On entend ici par couplé le fait d'être connecté directement ou indirectement via un (conduit ou tuyau) ou un petit équipement. La deuxième branche B12 est couplée à la première sortie du boîtier BD, qui constitue la première sortie de la première branche B11, et à une entrée de l'aérotherme A. Elle est donc chargée d'alimenter l'aérotherme A en fluide caloporteur réchauffé. La troisième branche B13 est couplée à une sortie de l'aérotherme A et à une entrée de la première branche B11, ici via une pompe P. Elle est donc chargée de collecter le fluide caloporteur utilisé par l'aérotherme A et de ramener ce fluide caloporteur refroidi et collecté dans la première branche B11. La quatrième branche B14 est une branche de dérivation (ou by-pass ). Elle est couplée à la seconde sortie du boîtier BD, qui constitue la seconde sortie de la première branche B11, et à l'entrée de la première branche B11 en amont de la pompe P. Elle est donc chargée de collecter tout ou partie du fluide caloporteur qui s'est réchauffé lors de sa traversée du moteur M et de ramener ce fluide caloporteur réchauffé et collecté dans la première branche B11. La boucle froide comporte classiquement (et notamment) un évaporateur EV, un compresseur CP, un condenseur CD et un deuxième circuit C2 dans lequel circule un fluide frigorigène et couplé à l'évaporateur EV, au compresseur CP et au condenseur CD. Il est rappelé que le fluide frigorigène circule en circuit fermé dans le deuxième circuit C2 dans différentes phases. Il s'agit par exemple d'un HFC (ou d'un autre réfrigérant fluoré) ou du dioxyde de carbone.
On ne décrira pas en détail ci-après le fonctionnement de la boucle froide (et en particulier de son évaporateur EV, son compresseur CP et son condenseur CD) du fait qu'il est bien connu de l'homme de l'art. Le deuxième circuit C2 comprend au moins trois branches. Une première branche B21 est couplée à une sortie du compresseur CP et à une entrée du condenseur CD. Elle est donc chargée de collecter le fluide frigorigène qui a été transformé par le compresseur CP en un gaz surchauffé (par forte augmentation de pression et de température), et d'alimenter en gaz surchauffé collecté le condenseur CD.
Une deuxième branche B22 est couplée à une sortie du condenseur CD et à une entrée de l'évaporateur EV. Elle comprend un détendeur DT (intercalé entre le condenseur CD et l'évaporateur EV). Elle est donc chargée de collecter le fluide frigorigène qui a été transformé en liquide par le condenseur CD, et d'alimenter en liquide à basse température l'évaporateur EV. Une troisième branche B23 est couplée à une sortie de l'évaporateur EV et à une entrée du compresseur CP. Elle est donc chargée de collecter le fluide frigorigène qui a été transformé (vaporisé) par l'évaporateur EV en un gaz surchauffé (par absorption des calories du flux d'air à refroidir), et d'alimenter en gaz surchauffé collecté le compresseur CP. L'invention propose d'implanter dans l'installation IC décrite ci-avant un dispositif de chauffage (ou réchauffeur) additionnel D destiné à réchauffer l'air qui alimente l'aérotherme A au moins pendant certaines phases de vie, comme par exemple au démarrage du moteur M lorsqu'il fait (très) froid, de manière à réchauffer plus efficacement et plus rapidement l'habitacle de la voiture. Comme illustré sur l'unique figure, le dispositif (de chauffage additionnel) D selon l'invention comprend des moyens de réchauffage CDA et 20 des moyens d'évaporation MD et EVA. Les moyens de réchauffage CDA sont agencés pour réchauffer par échange thermique le fluide caloporteur qui circule dans la deuxième branche B12 du premier circuit Cl avec du fluide frigorigène qui est issu de la première branche B21 du second circuit C2 via une quatrième branche (conduit) B24. 25 Les moyens d'évaporation MD et EVA sont agencés pour évaporer par échange thermique le fluide frigorigène qui est issu des moyens de réchauffage CDA avec le fluide caloporteur qui circule dans la quatrième branche B14 du premier circuit C1. Par exemple, et comme illustré non limitativement, les moyens de 30 réchauffage CDA et les moyens d'évaporation MD et EVA peuvent être regroupés au sein d'un même équipement DE que l'on peut qualifier de double échangeur à détendeur DE. On notera qu'un tel équipement DE peut être par exemple avantageusement solidarisé au moteur M au niveau des première et seconde sorties du boîtier BD. Dans ce cas, il n'est pas utile de prévoir des portions de deuxième B12 et quatrième B14 branches du premier circuit Cl entre le boîtier BD et le double échangeur DE. Par exemple, les moyens de réchauffage CDA peuvent comprendre un condenseur additionnel CDA qui, d'une première part, est alimenté en fluide frigorigène issu de la première branche B21 du second circuit C2, d'une deuxième part est agencé pour réchauffer par échange thermique le fluide caloporteur circulant dans une portion ( amont ) de la deuxième branche B12 du premier circuit Cl (qu'il délivre sur une sortie qui est couplée à une autre portion ( aval ) de la deuxième branche B12 du premier circuit Cl), et d'une troisième part, délivre le fluide frigorigène qui a servi au réchauffage du fluide caloporteur sur une autre sortie qui est couplée aux moyens d'évaporation MD et EVA. Comme illustré non limitativement, ce condenseur additionnel CDA 15 peut par exemple comprendre des premier SE1 et deuxième SE2 sous-échangeurs qui interagissent thermiquement. Le premier sous-échangeur SE1 comporte une entrée et une sortie qui sont ici connectées respectivement à deux portions de la deuxième branche B12 du premier circuit Cl. On notera qu'en l'absence de portion 20 amont de la deuxième branche B12 du premier circuit Cl, l'entrée du premier sous-échangeur SE1 peut être directement connectée à la première sortie du boîtier BD. Le deuxième sous-échangeur SE2 comporte une entrée qui est couplée à la première branche B21 du deuxième circuit C2 (ici via la 25 quatrième branche C24 de ce dernier (C2)), et une sortie qui est couplée à l'entrée des moyens d'évaporation MD et EVA. On comprendra que le fluide frigorigène qui parvient dans le deuxième sous-échangeur SE2 est un gaz surchauffé du fait qu'il est prélevé en sortie du compresseur CP. Par conséquent, lorsque ce gaz surchauffé 30 circule dans le deuxième sous-échangeur SE2 il dégage de la chaleur qui sert à réchauffer le fluide caloporteur qui circule dans le premier sous-échangeur SE1 et qui a déjà été au moins légèrement réchauffé lors de sa traversée du moteur M (dans la première branche B11 du premier circuit C1).
Afin de prélever le gaz surchauffé qui circule dans la première branche B21 du deuxième circuit C2, cette première branche B21 peut par exemple être équipée d'une première vanne V1 de type trois voies. Cette première vanne V1 comporte par exemple une entrée et une première sortie qui sont connectées respectivement à deux portions de la première branche B21 du deuxième circuit C2 et une seconde sortie qui est couplée à l'entrée des moyens de réchauffage CDA (ici via la quatrième branche B24 du deuxième circuit C2). Cette première vanne V1 peut par exemple être commandée électroniquement par l'ordinateur de bord de la voiture. On comprendra que lorsque l'on veut produire du froid (mode climatisation) on commande la première vanne V1 de sorte qu'elle laisse passer le fluide frigorigène vers le condenseur CD, tandis que lorsque l'on veut réchauffer le fluide caloporteur on commande la première vanne V1 de sorte qu'elle laisse passer le fluide frigorigène vers la quatrième branche B24 du deuxième circuit C2. Par exemple, et comme illustré non limitativement, les moyens d'évaporation MD et EVA peuvent comprendre des moyens de détente MD et un évaporateur additionnel EVA. Les moyens de détente MD peuvent par exemple se présenter sous la forme d'un détendeur ou d'un orifice calibré. Ils comportent une entrée qui est alimentée en fluide frigorigène issu de la sortie des moyens de réchauffage CDA et une sortie qui délivre un fluide frigorigène basse pression (consécutivement à la détente). Par exemple, l'évaporateur additionnel EVA, d'une première part, est alimenté en fluide frigorigène basse pression issu de la sortie des moyens de détente MD, d'une deuxième part, est agencé pour refroidir par échange thermique le fluide caloporteur qui circule dans la quatrième branche B14 du premier circuit Cl, et d'une troisième part, alimente en fluide frigorigène la troisième branche B23 du second circuit C2.
Comme illustré non limitativement, cet évaporateur additionnel EVA peut par exemple comprendre des troisième SE3 et quatrième SE4 sous-échangeurs qui interagissent thermiquement. Le troisième sous-échangeur SE3 comprend une entrée et une sortie qui sont connectées respectivement à deux portions de la quatrième branche B14 du premier circuit Cl. On notera qu'en l'absence de portion amont de la quatrième branche B14 du premier circuit Cl, l'entrée du troisième sous-échangeur SE3 peut être directement connectée à la seconde sortie du boîtier BD. Le quatrième sous-échangeur SE4 comprend une entrée qui est couplée à la sortie des moyens de détente MD (et qui est donc alimentée en fluide frigorigène refroidi (lors de l'échange thermique dans les moyens de réchauffage CDA) et basse pression (du fait de la détente), et une sortie qui est couplée à la troisième branche B23 du deuxième circuit C2. On comprendra que lorsque le fluide frigorigène (gaz) refroidi basse pression circule dans le quatrième sous-échangeur SE4 il s'évapore et refroidit par échange thermique le fluide caloporteur qui circule dans le troisième sous-échangeur SE3 avant qu'il ne retourne vers le moteur M.
Afin de permettre ce dernier couplage, la troisième branche B23 du deuxième circuit C2 peut par exemple être équipée d'une seconde vanne V2 de type trois voies. Cette seconde vanne V2 comporte par exemple une première entrée et une sortie qui sont connectées respectivement à deux portions de la troisième branche B23 du deuxième circuit C2 et une seconde entrée qui est couplée à la sortie des moyens d'évaporation MD et EVA (et plus précisément ici à la sortie du quatrième sous-échangeur SE4). Cette seconde vanne V2 peut par exemple être commandée électroniquement par l'ordinateur de bord de la voiture. On comprendra que lorsque l'on veut produire du froid (mode climatisation) on commande la seconde vanne V2 de sorte qu'elle laisse passer le fluide frigorigène de l'évaporateur EV vers le condenseur CD, tandis que lorsque l'on veut réchauffer le fluide caloporteur on commande la seconde vanne V2 de sorte qu'elle laisse passer le fluide frigorigène des moyens d'évaporation MD et EVA (et plus précisément ici de la sortie du quatrième sous-échangeur SE4) vers la portion aval de la troisième branche B23 du deuxième circuit C2. On comprendra également que les première V1 et seconde V2 vannes sont commandées simultanément. L'invention offre plusieurs avantages, et notamment : - elle permet d'améliorer les performances de réchauffage et notamment d'obtenir des performances comparables à celles offertes par un réchauffeur additionnel classique, - sa masse est sensiblement inférieure à celle d'un réchauffeur additionnel classique, - elle ne pénalise pas la montée en température d'eau du moteur du fait qu'elle fonctionne en boucle fermée, - elle ne nécessite pas de vanne de type trois voies sur le circuit (Cl) dans lequel circule le fluide caloporteur, - elle offre une compacité et une simplicité de montage qui ne nécessitent que de petites portions de conduit (tuyau ou canalisation), - elle permet de limiter la classe (électrique) de l'alternateur qui doit être surdimensionnée en présence d'un réchauffeur additionnel de type CTP. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de dispositif de chauffage additionnel et d'installation de chauffage/climatisation décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après.