FR2994256A1

FR2994256A1 - Echangeur de climatisation

Info

Publication number: FR2994256A1
Application number: FR1257569A
Authority: FR
Inventors: Fadil Ayad; Remi Grunewald; Youen Puillandre
Original assignee: Delphi Automotive Systems Luxembourg SA
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2014-02-07
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: FR2994256B1

Abstract

L'invention concerne un échangeur thermique (18) de climatisation prévu pour refroidir le frigorigène d'un circuit de climatisation d'un véhicule (10), l'échangeur de climatisation (18) comprenant un condenseur (20) dans lequel un le frigorigène se refroidit et un sous-refroidisseur (22) dans lequel le frigorigène se refroidit à nouveau.

Description

DP-320367 Echangeur de climatisation DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un module-avant d'échanges thermiques agencé à l'avant d'un véhicule. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION A l'avant des véhicules sont généralement agencés, au sein d'un module intégré, les échangeurs thermiques nécessaires aux circuits haute température, basse température et climatisation du véhicule. Pour le confort des usagers le véhicule est équipé d'une boucle de climatisation comprenant un condenseur. Un premier fluide et le frigorigène de climatisation comprimé entrent séparément dans le condenseur étant respectivement à environ +60°C et +120°C. Dans le condenseur se produit un échange thermique fluide-fluide de sorte qu'ils ressortent tous deux à environ +80°C. Le frigorigène à +80°C est ensuite détendu et sa température s'abaisse jusqu'à environ 0°C, température à laquelle elle entre dans un évaporateur.

Dans de nombreux cas, +80°C n'est pas une température de sortie du frigorigène suffisamment basse cependant celle-ci ne peut être abaissée davantage par le premier fluide également à +80°C. RESUME DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier aux inconvénients mentionnés en proposant une solution simple et économique. Dans ce but l'invention est relative à un échangeur thermique de climatisation prévu pour refroidir le fluide frigorigène d'un circuit de climatisation de véhicule. L'échangeur de climatisation comprend un collecteur d'arrivée, un collecteur de sortie, un collecteur médian et un premier groupe de tubes transversaux joignant le collecteur d'arrivée au collecteur médian et un second groupe de tubes transversaux joignant le collecteur médian au collecteur de sortie. Le fluide frigorigène peut ainsi circuler du collecteur d'arrivée au collecteur de sortie. L'échangeur comprend de plus un boitier étanche enfermant le premier groupe de tubes, le boitier étant pourvu d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie pour permettre à un fluide caloporteur de circuler dans le boitier. Le second groupe de tubes est extérieur au boitier et est traversé par un flux d'air longitudinal. Ainsi l'échangeur comprend un condenseur dans lequel se produit un premier échange thermique qui refroidit le fluide frigorigène circulant dans le premier groupe de tubes et réchauffe le fluide caloporteur circulant dans le boitier et, un sous-refroidisseur dans lequel se produit un second échange thermique qui refroidit à nouveau le fluide frigorigène circulant dans le second groupe de tubes et réchauffe le flux d'air longitudinal. De plus, l'échangeur de climatisation peut comprendre un produit déshydratant agencé dans le collecteur médian de sorte que le fluide frigorigène est déshydraté en sortie de condenseur. Un filtre peut également être placé dans le collecteur médian de sorte que le fluide frigorigène est filtré en sortie du condenseur et des particules étrangères qui se trouveraient dedans sont retenues. Des guides de fluide sont agencés entre les tubes du premier groupe de sorte qu'en suivant les guides le fluide caloporteur circule dans tout le boitier étanche ce qui optimise le premier échange thermique. Egalement des ailettes de refroidissement s'étendant selon la direction longitudinale peuvent être agencées entre les tubes du sous-refroidisseur. Ainsi les échanges thermiques entre le frigorigène et le flux d'air longitudinal s'écoulant entre les tubes sont favorisés. Selon un mode de réalisation les tubes du premier groupe sont agencés les uns à côté des autres dans plusieurs plans longitudinaux. Les tubes du second groupe sont également agencés les uns à côté des autres dans plusieurs plans longitudinaux. Ainsi, les tubes sont spatialement distribués entre les collecteurs selon un réseau d'au moins deux rangées longitudinales et d'au moins deux colonnes. L'invention est également relative à un module-avant d'échanges thermiques prévu pour être agencé à l'avant d'un véhicule perpendiculairement à un flux d'air longitudinal. Le module-avant comprend au moins un radiateur traversé par le flux d'air et prévu pour refroidir un premier fluide caloporteur et un échangeur de climatisation réalisé selon les paragraphes précédents. Le boitier est raccordé au radiateur de sorte que le fluide caloporteur circule dans le condenseur et refroidisse le fluide frigorigène. Le flux d'air passant entre les tubes du sous-refroidisseur refroidit une seconde fois le fluide frigorigène. Dans le module-avant, l'échangeur de climatisation est agencé sur un des côtés du radiateur. Ainsi le sous-refroidisseur est traversé par une partie périphérique du flux d'air distincte de la partie principale traversant le radiateur. Le module-avant comprend de plus un ventilateur prévu pour générer le flux d'air. Le module-avant peut comprendre deux radiateurs agencés l'un derrière l'autre, tous deux traversés par la partie principale du flux d'air.

L'invention est également relative à un circuit de climatisation d'un véhicule comprenant un compresseur, un détendeur, un évaporateur et un échangeur de climatisation comme précédemment décrit de sorte que le frigorigène entre dans l'évaporateur à une température inférieure à 0°C. Dans le circuit de climatisation, l'échangeur de climatisation peut être 15 agencé dans un module-avant comme précédemment décrit. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins 20 annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels: - la Figure 1 est une vue générale de l'avant d'un véhicule dont le module-avant d'échanges thermiques est grossi. - La Figure 2 est un schéma général des boucles d'échanges thermiques d'un véhicule. 25 - Les Figures 3 et 4 sont deux schématisations en formes géométriques simples du module-avant de la Figure 1. - La Figure 5 est une vue isométrique arrière du module de la Figure 1. - La Figure 6 est une vue isométrique de l'échangeur de climatisation agencé dans le module de la Figure 1. 30 - La Figure 7 est une vue de face de l'échangeur de la Figure 6, y compris une section détaillant l'intérieur de l'échangeur. - La Figure 8 est une section de l'échangeur selon un plan longitudinal-vertical LZ. - La Figure 9 est une section du collecteur médian de l'échangeur des Figures 6 et 7. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES La Figure 1 illustre un véhicule 10 pourvu d'un module-avant 12 d'échanges thermiques agencé juste derrière la calandre partiellement découpée du véhicule 10. Le module-avant 12 est repéré dans un repère orthogonale ayant un axe longitudinal horizontal L dirigé vers l'avant du véhicule 10, un axe transversal horizontal T dirigé vers la gauche du véhicule 10 et un axe vertical Z dirigé vers le haut. Le module-avant 12 comprend un radiateur 14, communément appelé radiateur basse température 14, placé, selon l'axe longitudinal L, devant un autre radiateur communément appelé radiateur haute température 16, et un échangeur thermique de climatisation 18. L'échangeur de climatisation 18 comprend une partie condenseur 20 et une partie sous-refroidisseur 22 et il est agencé au-dessus, selon l'axe vertical Z, du radiateur basse température 14 et du radiateur haute température 16. Un flux d'air F longitudinal L dirigé vers le véhicule 10 et traversant le module-avant 12 est également représenté. La Figure 2 représente de manière schématique les principaux circuits d'échanges thermiques du véhicule 10 équipé d'un moteur 24 turbocompressé et donc pourvu d'un refroidisseur d'air de suralimentation 26. Un premier circuit, le circuit basse température 28, comprend une pompe 30 faisant circuler un premier fluide caloporteur 32 qui traverse le radiateur basse température 14 puis le refroidisseur d'air de suralimentation 26. Une partie du premier fluide 32 est dérivée en amont du refroidisseur d'air de suralimentation 26 vers l'échangeur de climatisation 18 dans lequel il circule dans le condenseur 20 pour ensuite revenir vers le radiateur basse température 14. Un deuxième circuit, le circuit de climatisation 34, comprend un compresseur 36 et un détendeur 38 pour assurer la circulation d'un fluide frigorigène 40 entre l'échangeur de climatisation 18 et un évaporateur 42.

Un troisième circuit, le circuit haute température 44, comprend une autre pompe 46 qui fait circuler un troisième fluide 48 caloporteur traversant le radiateur haute température 16 et le moteur 24 de sorte à le refroidir.

Le radiateur basse température 14, le radiateur haute température 16 et le sous-refroidisseur 22 sont des échangeurs thermiques fluide-air dans lesquels les fluides respectifs 32, 40, 48, sont refroidit par le flux d'air F les traversant. Le flux d'air F est généré soit par la vitesse d'avancée du véhicule 10 soit par un ventilateur 50 schématisé sur la Figure 2. Le condenseur 20 est, quant à lui, un échangeur fluide-fluide dans lequel le premier fluide 32 se réchauffe, passant d'une température d'entrée tl pouvant être comprise entre +40°C et +70°C et plus communément voisine de +60°C à une température de sortie t2 pouvant être comprise entre +60°C et +90°C et plus communément voisine de +80°C. Le fluide frigorigène 40 préalablement comprimé et par là même chauffé à une température t3 pouvant être supérieure à +100°C et plus communément voisine de +120°C se refroidit jusqu'à avoisiner la température de sortie du premier fluide. En sortie du condenseur 20 où il a subit un premier refroidissement, le fluide frigorigène 40 entre dans le sous-refroidisseur 22 où il est à nouveau refroidit jusqu'à une température t4 pouvant être comprise entre +40°C et +70°C et plus communément voisine de +60°C. C'est à cette température t4 que le fluide frigorigène 40 ressort du sous-refroidisseur 22 et atteint le détendeur 38 dans lequel la détente provoque une réaction adiabatique faisant descendre une nouvelle fois la température du fluide frigorigène 40 jusqu'à une température inférieure à 0°C et plus communément voisine de -10°C. C'est à cette température t4 que le fluide frigorigène 40 entre dans l'évaporateur 42 et refroidit un courant d'air le traversant pour le confort des occupants du véhicule 10. Dans le but d'optimiser le second refroidissement du fluide frigorigène 40 dans le sous-refroidisseur 22 il est intéressant que le flux d'air F comprenne une partie principale Fl qui traverse les radiateurs basse température 14 et haute température 16 distincte d'une partie périphérique F2 qui traverse le sous-refroidisseur 22. Ainsi la partie périphérique F2 du flux d'air traversant le sous-refroidisseur 22 n'est pas préalablement réchauffé et le second refroidissement du fluide frigorigène 40 s'en trouve optimisé.

La Figure 3 reprend le module-avant 12 de la Figure 1. Chaque élément du module-avant 12 y est schématisé par son parallélépipède rectangle circonscrit. Tous les éléments sont agencés dans un volume 52 également parallélépipédique rectangle, représenté en pointillé sur la Figure 3. L'échangeur de climatisation 18 est placé horizontalement selon la direction transversale T au-dessus des radiateurs basse température 14 et haute température 16. Symétriquement à cet agencement, l'échangeur de climatisation 18 peut bien sûr être agencés en-dessous des radiateurs 14, 16.

La Figure 4 présente une alternative d'agencement dans laquelle, le volume 52 circonscrit au module-avant 12 est strictement identique à celui de la Figure 3 mais l'échangeur de climatisation 18 est ici agencé latéralement selon la direction verticale Z, sur le côté gauche, relativement au véhicule 10, des radiateurs basse température 14 et haute température 16. Pour conserver constantes les dimensions du volume 52 les dimensions dans le sens transversal T des radiateurs basse température 14 et haute température 16 ont été réduites alors que leurs hauteurs verticales Z ont pu être augmentées. Symétriquement à cet agencement, l'échangeur de climatisation 18 peut également être agencés à droite des radiateurs 14, 16.

D'une manière générale, l'échangeur de climatisation 18 est agencé le long d'un côté du module-avant 12 quelle que soit l'orientation horizontale, verticale voire incliné de ce côté. Le module-avant 12 a une face principale 54 située le plus en avant du véhicule 10. La face principale 54 est inscrite dans un plan vertical perpendiculaire à l'axe longitudinal L et au flux d'air F. Le flux d'air F généré par le ventilateur 50 pénètre le module-avant 12 selon toute la face principale 54 et, quel que soit l'agencement choisi pour les éléments du module-avant 12, « horizontal », « vertical » ou « incliné », le sous-refroidisseur 22 est agencé contre la face principale 54 et ainsi la partie principale Fl du flux d'air traverse en série l'un derrière l'autre, les radiateurs basse température 14 et haute température 16 tandis que la partie périphérique F2 du flux d'air traverse le sous-refroidisseur 22 en parallèle des deux radiateurs 14, 16. La Figure 5 représente une construction possible du module-avant 12 vu selon sa face arrière. Le ventilateur 50 reçoit les radiateurs 14, 16, et au-dessus d'eux l'échangeur de climatisation 18. Les pales du ventilateur 50 sont d'une taille suffisante pour générer un large flux d'air F dont la partie périphérique F2 traverse le sous-refroidisseur 22 ainsi agencé.

L'échangeur de climatisation 18 est maintenant décrit en référence aux Figures 6, 7, 8 et 9. L'échangeur de climatisation 18 est repéré dans le repère longitudinal, transversal, vertical LTZ précédemment utilisé sans pour autant que cela limite l'invention notamment compte tenu des différentes orientations possibles dans laquelle l'échangeur de climatisation 18 peut être installé, par exemple comme cela est présenté dans les Figures 3 et 4. L'échangeur de climatisation 18 comprend un collecteur d'arrivée 56 et un collecteur de sortie 58 entre lesquels est agencé un collecteur médian 60. Un premier groupe de tubes plats 62 s'étend entre le collecteur d'arrivée 56 et le collecteur médian 60 et, un second groupe de tubes plats 64 s'étend entre le collecteur médian 60 et le collecteur de sortie 58. Les tubes 62, 64, s'étendent selon la direction transversale T. Entre les collecteurs 56-60 les tubes 62, 64, sont agencés les uns à côté des autres dans des plans horizontaux LT superposés. Dans un plan vertical LZ, les tubes 62, 64, sont distribués selon un réseau rectangulaire de plusieurs rangées R s'étendant selon l'axe longitudinal L, et de plusieurs colonnes C s'étendant selon l'axe vertical Z. Sur la Figure 8 on peut compter huit rangées R et trois colonnes C. Un réseau différent comportant un autre nombre de rangées et de colonnes est bien sûr possible. Il est également possible d'agencer les tubes 62, 64, dans un réseau qui ne serait pas rectangulaire. Un boitier étanche 66 enferme le premier groupe de tube 62 en s'étendant du collecteur d'arrivée 56 au collecteur médian 60. Pour la circulation du premier fluide caloporteur 32, le boitier 66 est pourvu d'un orifice d'entrée 68, agencé au voisinage du collecteur médian 60, et d'un orifice de sortie 70 agencé au voisinage du collecteur d'arrivée 56. Des guides 72 longitudinaux L, également appelés ailettes à pas décalé, sont agencés entre les rangées R du premier groupe de tubes 62. Les guides 72, au contact de deux rangées adjacentes favorisent la circulation du fluide caloporteur 32 dans tout le boitier 66 et par là même l'échange thermique entre les fluides 32, 40. Dans le collecteur médian 60 sont agencés un produit déshydratant 74 et un filtre 76. Enfin, entre les rangées R de tubes du second groupe 64 sont agencées des ailettes 78 de refroidissement s'étendant selon la direction longitudinale L. La Figure 9 présente un agencement possible de l'intérieur du collecteur médian 60. Deux demi-cloisons 80, 82, perpendiculaires à la direction transversale T, s'élèvent sur environ la moitié de la hauteur depuis la face horizontale basse 84 du collecteur médian 60. Une autre demi-cloison 86, également perpendiculaire à la direction transversale T, s'étend depuis la face horizontale haute 88 et se raccorde à la deuxième demi-cloison basse 82. La deuxième demi-cloison basse 82 est de plus pourvue d'une ouverture 90. Les cloisons 80, 82, 86 définissent dans le collecteur médian 60 une chambre amont 92 dans laquelle débouchent les tubes 62 du condenseur 20. La chambre amont 92 communique, par le dessus de la première demi-cloison 80, avec un espace central 94 situé entre les deux demi-cloisons basse 80, 82. Enfin, par l'ouverture 90, l'espace central 94 communique avec une chambre aval 96 de laquelle repartent les tubes 64 du sous-refroidisseur 22. Sur la Figure 9, les flèches suivent le parcours du fluide frigorigène 40 depuis le condenseur 20 jusqu'au sous-refroidisseur 22. Dans la chambre amont 92, le produit déshydratant 74 est placé de sorte que le fluide frigorigène 40 le traverse. Sur l'agencement de la Figure 9 le produit déshydratant 74 est retenu, par exemple dans une enveloppe souple et poreuse, au- dessus de la première demi-cloison basse 80. Le filtre 76 occupe quant à lui tout l'espace central 94 et le fluide frigorigène 40 est obligé de le traverser avant d'arriver dans la chambre aval 96 où il se distribue dans les tubes 64 du sous-refroidisseur 22. Le filtre 76 est typiquement réalisé en une matière synthétique à maille fine et flexible.

Du point de vue du fonctionnement, les tubes du premier groupe 62 enfermés dans le boitier 66 constituent le condenseur 20 dans lequel se produit le premier échange thermique entre le frigorigène 40 qui se refroidit et le fluide caloporteur 32 qui se réchauffe. En sortie du condenseur 20, le fluide frigorigène 40 entre dans le collecteur médian 60 où le produit déshydratant 74 retient d'éventuelles gouttes d'eau et où le filtre 76, au travers duquel il passe, retient des particules étrangères.

Le fluide frigorigène 40 se distribue ensuite dans les tubes du second groupe 64 qui constituent le sous-refroidisseur 22 dans lequel le fluide frigorigène 40 se refroidit à nouveau en échange thermique avec le flux d'air F. D'autres arrangements peuvent facilement être réalisés pour agencer le produit déshydratant 74 et le filtre 76 à l'intérieur du collecteur médian 60 et la représentation de la Figure 9 ne saurait être limitative de l'invention. Par ailleurs, le collecteur médian 60 peut être clôt lors de sa fabrication et alors le produit déshydratant 74 et le filtre 76 doivent être permanent. Le collecteur peut par contre être pourvu d'une ouverture de service permettant de remplacer régulièrement le produit déshydratant 74 ou de nettoyer le filtre 76. Le volume circonscrit à l'échangeur de climatisation 18 décrit est un parallélépipède rectangle dont les faces perpendiculaires à la direction transversale T sont pratiquement carrées et dont la dimension transversale T est de l'ordre de cinq fois supérieure au côté du carré. Cette configuration est obtenue grâce à l'arrangement des tubes 62, 64 en rangées et R et colonnes C qui permet de réduire les dimensions longitudinales et verticales à l'espace disponible sur un côté du module-avant 12. D'autres modes de réalisation amenant à d'autres formes et d'autres proportions peuvent bien sûr être choisis. Un échangeur de climatisation à plaques peut par exemple alterner un empilement de plaques définissant des circuits pour le frigorigène et pour le fluide caloporteur. De même les tubes 62, 64, sont ici agencés en deux groupes distincts. Il est possible de réaliser un échangeur dans lequel les tubes s'étendraient sans interruption du collecteur d'entrée au collecteur de sortie, ou bien seraient partiellement interrompus de sorte à accommoder le déshydratant et le filtre.

Claims

REVENDICATIONS1. Echangeur thermique (18) de climatisation prévu pour refroidir le fluide frigorigène (40) d'un circuit de climatisation de véhicule (10) caractérisé en ce que l'échangeur de climatisation (18) comprend un collecteur d'arrivée (56), un collecteur de sortie (58), un collecteur médian (60) et un premier groupe de tubes (62) transversaux (T) joignant le collecteur d'arrivée (56) au collecteur médian (60) et un second groupe de tubes (64) transversaux (T) joignant le collecteur médian (60) au collecteur de sortie (58), le fluide frigorigène (40) pouvant ainsi circuler du collecteur d'arrivée (56) au collecteur de sortie (58) et, un boitier étanche (66) enfermant le premier groupe de tubes (62), le boitier (66) étant pourvu d'un orifice d'entrée (68) et d'un orifice de sortie (70) pour permettre à un fluide caloporteur (32) de circuler dans le boitier (66), le second groupe de tubes (64) étant extérieur au boitier (66) et étant traversé par un flux d'air (F) longitudinal (L) de sorte que sont ainsi formés un condenseur (20) dans lequel se produit un premier échange thermique qui refroidit le fluide frigorigène (40) circulant dans le premier groupe de tubes (62) et réchauffe le fluide caloporteur (32) circulant dans le boitier (66) et, un sous-refroidisseur (22) dans lequel se produit un second échange thermique qui refroidit à nouveau le fluide frigorigène (40) circulant dans le second groupe de tubes (64) et réchauffe le flux d'air (F) longitudinal (L).
2. Echangeur de climatisation (18) selon la revendication précédente comprenant de plus un produit déshydratant (74) agencé dans le collecteur médian (60) de sorte que le fluide frigorigène (40) est déshydraté en sortie de condenseur (20).
3. Echangeur de climatisation (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant de plus un filtre (76) agencé dans le collecteur médian (60) de sorte que le fluide frigorigène (40) est filtré en sortie du condenseur (20) et des particules étrangères qui se trouveraient dedans sont retenues.
4. Echangeur de climatisation (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le condenseur (20) comprend de plus des guides (72) de fluide agencés entre les tubes du premier groupe (62) de sorte qu'en suivant les guides (72) le fluide caloporteur (32) circule dans tout le boitier étanche (66) ce qui optimise le premier échange thermique.
5. Echangeur de climatisation (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les tubes du premier groupe (62) sont agencés les uns à côté des autres dans plusieurs plans longitudinaux (LT) et, les tubes du second groupe (64) sont également agencés les uns à côté des autres dans plusieurs plans longitudinaux (LT).
6. Module-avant d'échanges thermiques (12) prévu pour être agencé à l'avant d'un véhicule (10) perpendiculairement à un flux d'air (F) longitudinal (L), le module-avant (12) comprenant au moins un radiateur (14) traversé par le flux d'air (F) et prévu pour refroidir un premier fluide caloporteur (32) et, un échangeur de climatisation (18) réalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le boitier (66) étant raccordé au radiateur (14) de sorte que le fluide caloporteur (32) circule dans le condenseur (20) et refroidisse le fluide frigorigène (40), le flux d'air (F) passant entre les tubes (64) du sous-refroidisseur (22) refroidissant une seconde fois le fluide frigorigène (40).
7. Module-avant (12) selon la revendication 6 dans lequel l'échangeur de climatisation (18) est agencé sur un des côtés du radiateur (14) de sorte que le sous-refroidisseur (22) est traversé par une partie périphérique (F2) du flux d'air distincte de la partie principale (F1) traversant le radiateur (14).
8. Module-avant (12) selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7 comprenant de plus un ventilateur (50) prévu pour générer le flux d'air (F).
9. Circuit de climatisation (34) d'un véhicule (10) comprenant un compresseur (36), un détendeur (38), un évaporateur (42) et un échangeur de climatisation (18) réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 de sorte que le frigorigène (40) entre dans l'évaporateur (42) à une température inférieure à 0°C.
10. Circuit de climatisation (34) selon la revendication 9 l'échangeur de climatisation (18) étant agencé dans un module-avant (12) réalisé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8.10