FR3061870B1 - Circuit thermodynamique pour vehicule automobile - Google Patents

Abstract

Circuit (1) thermodynamique pour véhicule automobile dans lequel circule un fluide frigorigène, ledit circuit (1) comprenant : - un circuit (6) de récupération de chaleur muni d'au moins un premier échangeur (11) de chaleur apte à réchauffer le fluide frigorigène à partir d'une source de chaleur, - un circuit (7) de climatisation, le circuit (1) thermodynamique comprenant une portion (10) commune au circuit (6) de récupération et au circuit (7) de climatisation, cette portion (10) commune comprenant un condenseur (17) primaire pour refroidir le fluide frigorigène par échange de chaleur avec un premier flux (18) d'air dit « de face avant », la portion (10) commune comprenant en outre un condenseur (26) secondaire apte à refroidir le fluide frigorigène par échange de chaleur avec un second flux d'air (27) en réchauffant ce dernier, le second flux (27) d'air étant distinct du premier flux (18) d'air, le second flux (27) d'air ainsi réchauffé étant destiné à l'habitacle du véhicule automobile.

Description

L’invention a trait au domaine des circuits thermodynamiques pour véhicule automobile.

De nos jours, les véhicules automobiles comprennent des équipements de confort de plus en plus énergivores. Ces équipement participent bien entendu à rendre le véhicule plus confortable.

Parmi ces équipements on trouve par exemple le dispositif de climatisation qui fonctionne au moyen d’un circuit de climatisation comprenant notamment un moyen de compression d’un fluide frigorigène, un moyen de détente du fluide, un évaporateur et un condenseur.

Le compresseur est un élément particulièrement énergivore dont le fonctionnement conditionne la puissance frigorifique obtenue. La consommation énergétique du compresseur dépend de plusieurs paramètres comme la température extérieure et la température souhaitée par les passagers à l’intérieur de l’habitacle.

Ces équipements de confort grèvent les performances du véhicule automobile. En effet, dans le cas du compresseur de climatisation par exemple, celui-ci est couplé au moteur. Ce couplage ajoute une charge supplémentaire au moteur qui doit par conséquent consommer plus de carburant pour maintenir le même niveau de performance. Cette surconsommation se fait au détriment de l’impact du véhicule sur l’environnement et la consommation de carburant.

Dans un objectif constant de réduire l’impact environnemental des véhicules automobiles et la consommation en carburant, les constructeurs automobiles déploient de plus en plus de solutions techniques destinées à réduire leur impact sur l’environnement ainsi que leur consommation en carburant.

Dans un véhicule automobile équipé d’un moteur thermique, il existe de nombreuses pertes thermiques. Ces pertes thermiques se situent principalement au niveau du moteur et de l’échappement. En effet le moteur doit être refroidi pour ne pas se détériorer, les calories étant évacuées vers le milieu extérieur par un circuit de refroidissement et les gaz d’échappement chaud sont évacués vers l’extérieur.

Des solutions permettant de recycler une partie des pertes thermiques, sont connues. Parmi ces solutions, l’une d’entre elles consiste en un circuit thermodynamique pour véhicule automobile dans lequel circule un fluide frigorigène et qui comprend en plus d’un circuit de climatisation, un circuit de récupération de chaleur. Le circuit de récupération est muni d’au moins un premier échangeur de chaleur. Le premier échangeur de chaleur est apte à réchauffer le fluide frigorigène à partir d’une source de chaleur. Cette source de chaleur peut par exemple être le liquide de refroidissement du moteur et/ou les gaz d’échappement. Le circuit comprend un dispositif réversible et un condenseur. Le dispositif réversible est apte à fonctionner en mode compression ou en mode de détente pour une production d’énergie. Le condenseur permet de refroidir le fluide frigorigène par échange de chaleur avec un premier flux d’air dit « de face avant ».

Ce circuit thermodynamique peut fonctionner selon plusieurs modes de fonctionnement différents : un mode de récupération d’énergie avec climatisation, un mode de récupération d’énergie sans climatisation, et un mode de climatisation sans récupération d’énergie.

Dans ce circuit thermodynamique, en mode récupération d’énergie avec ou sans climatisation, la chaleur est récupérée à partir d’une source de chaleur via le premier échangeur de chaleur. Le fluide frigorigène s’évapore puis arrive à l’état gazeux dans le dispositif réversible qui fonctionne en mode de détente. En mode de détente, le fluide gazeux est détendu dans le dispositif réversible produisant un travail utilisé pour produire de l’énergie. Le fluide gazeux est ensuite totalement condensé dans le condenseur par échange de chaleur avec un premier flux d’air dit « de face avant ». De son côté, le circuit de climatisation refroidit l’air à destination de l’habitacle si ceci est demandé par les usagers du véhicule.

En dépit du fait que ce circuit thermodynamique permet de recycler de l’énergie thermique et de produire de l’air froid, le circuit de récupération de chaleur et le circuit de climatisation présentent plusieurs inconvénients. L’un de ces inconvénients est l’efficacité du recyclage des pertes thermiques car le circuit thermodynamique n’est pas agencé de sorte à maximiser la production de travail au niveau du dispositif réversible lorsqu’il fonctionne en mode de détente. Un autre inconvénient est l’efficacité de la régulation thermique de l’habitacle qui pourrait être améliorée. L’objectif de l’invention est de remédier à l’un au moins des inconvénients précités. H est proposé en premier lieu un circuit thermodynamique pour véhicule automobile dans lequel circule un fluide frigorigène, ledit circuit comprenant : - un circuit de récupération de chaleur muni d’au moins un premier échangeur de chaleur apte à réchauffer le fluide frigorigène à partir d’une source de chaleur, - un circuit de climatisation.

Le circuit thermodynamique selon l’invention comprend une portion commune au circuit de récupération et au circuit de climatisation, cette portion commune comprenant un condenseur primaire pour refroidir le fluide frigorigène par échange de chaleur avec un premier flux d’air dit «de face avant», la portion commune comprenant en outre un condenseur secondaire apte à refroidir le fluide frigorigène par échange de chaleur avec un second flux d’air en réchauffant ce dernier, le second flux d’air étant distinct du premier flux d’air, le second flux d’air ainsi réchauffé étant destiné à l’habitacle du véhicule automobile.

En disposant un condenseur secondaire dans une branche commune du circuit thermodynamique, il est de la sorte possible de se servir de la chaleur récupérée dans le circuit de récupération de chaleur, en particulier, au niveau du premier échangeur de chaleur, pour la transmettre au flux d’air traversant ledit condenseur secondaire en vue de réchauffer l’habitacle du véhicule alors que cette chaleur était précédemment uniquement dissipée sous le capot par l’intermédiaire du condenseur primaire. Un tel fonctionnement aura avantageusement lieu à pression relativement constante, la seule variation de pression provenant de celle induite par l’organe de pompage utilisé pour vaincre les pertes de charges présente dans le circuit de récupération de chaleur, ce dernier étant alors utilisé sans chercher à transformer la chaleur récupérée en énergie par le biais d’un éventuel dispositif réversible.

Plusieurs caractéristiques complémentaires de l’invention peuvent être prises seules ou en combinaison : le circuit thermodynamique est agencé de telle sorte que le second flux d’air peut : - passer successivement au travers d’un évaporateur du circuit de climatisation puis du condenseur secondaire de la portion commune, ou - passer au travers de l’évaporateur puis contourner le condenseur secondaire ; le circuit de récupération comprend un dispositif réversible, à savoir apte à fonctionner en mode compression ou en mode de détente pour une production d’énergie et/ou ledit circuit de climatisation comprend un compresseur ; la portion commune s’étend depuis un premier embranchement où le circuit de récupération et le circuit de climatisation convergent et un deuxième embranchement où le circuit de récupération et le circuit de climatisation divergent, le dispositif réversible étant situé entre un troisième embranchement, le troisième l’embranchement étant situé en aval du premier échangeur de chaleur par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit de récupération et le premier embranchement ; la portion commune comprend un circuit de dérivation qui s’étend depuis le troisième embranchement jusqu’à un quatrième embranchement, ce dernier étant situé en aval du premier embranchement et en amont du condenseur primaire par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans la portion commune ; le condenseur secondaire se situe en amont du condenseur primaire et en aval du quatrième embranchement par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans la portion commune ; le circuit thermodynamique comprend une première vanne anti-retour situé en aval du premier échangeur de chaleur et en amont du troisième embranchement par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit de récupération ; le circuit thermodynamique comprend une seconde vanne anti-retour située en aval d’un compresseur de climatisation du circuit de climatisation, la seconde vanne anti-retour étant située en amont du premier embranchement ; la portion commune comprend une première vanne d’ouverture/fermeture agencée entre le premier embranchement et le quatrième embranchement ; le circuit de dérivation comprend une seconde vanne d’ouverture/fermeture ; le compresseur et le dispositif réversible sont liés l’un à l’autre par des moyens de conversion d’énergie pour entraîner le compresseur à partir d’un travail récupéré au niveau du dispositif réversible ; le circuit est configuré pour autoriser une circulation dans le circuit de récupération de chaleur, en court-circuitant ledit dispositif réversible par ledit circuit de dérivation ; le circuit est configuré pour permettre une circulation du fluide frigorigène dans le circuit de climatisation en passant en série dans le compresseur, le dispositif réversible puis le circuit de dérivation ; le circuit est configuré pour permettre au second flux d’air de traverser successivement l’évaporateur puis le condenseur secondaire pendant que circuit de climatisation et le circuit de récupération de chaleur fonctionnent. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après en relation avec les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : la figure 1 est une représentation schématique d’un circuit thermodynamique selon l’invention ; la figure 2 est une représentation schématique d’un circuit thermodynamique de la figure 1 selon un premier mode de fonctionnement ; la figure 3 est une représentation schématique d’un circuit thermodynamique de la figure 1 selon un deuxième mode de fonctionnement ; la figure 4 est une représentation schématique d’un circuit thermodynamique de la figure 1 selon un troisième mode de fonctionnement ; la figure 5 est une représentation schématique d’un circuit thermodynamique de la figure 1 selon un quatrième mode de fonctionnement ; la figure 6 est une représentation schématique d’un circuit thermodynamique de la figure 1 selon un cinquième mode de fonctionnement ; la figure 7 est une représentation schématique d’un circuit thermodynamique de la figure 1 selon un sixième mode de fonctionnement.

Sur la figure 1 sont représentés un circuit 1 thermodynamique et un circuit 2 de refroidissement d’un moteur 3 thermique de véhicule automobile.

Le circuit 2 de refroidissement du moteur 3 thermique permet la circulation d’un liquide caloporteur, tel que de l’eau additionnée d’antigel. Il comprend le moteur 3 thermique, un radiateur 4 de refroidissement du liquide caloporteur et une pompe 5.

Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, le circuit 2 de refroidissement est une source de chaleur qui sera exploitée par le circuit 1 thermodynamique ainsi que décrit ci-après. Ceci n’est toutefois nullement limitatif, puisque d’autres sources de chaleur peuvent être utilisées seules ou en combinaison avec le circuit 2 de refroidissement.

Un fluide frigorigène circule dans le circuit 1 thermodynamique. Le fluide frigorigène est avantageusement le fluide réfrigérant désigné sous le code R-134a et de formule brute C2H2F4 ou tout autre fluide tel que celui connu sous le nom R1234yf ou du CO2.

Le circuit 1 thermodynamique comprend un circuit 6 de récupération de chaleur et un circuit 7 de climatisation. Le circuit 7 de climatisation et le circuit 6 de récupération divergent et convergent respectivement au niveau d’un premier embranchement 8 et au niveau d’un deuxième embranchement 9. Dans la présente description, un « embranchement » désigne une jonction ou une bifurcation entre deux circuits différents. Ainsi au niveau d’un embranchement, le fluide circulant dans chacun des circuits différents se rejoignent pour ne former qu’un seul flux ou au contraire se séparent pour former deux flux différents.

Entre le premier embranchement 8 et le deuxième embranchement 9, le circuit 1 thermodynamique comprend une portion 10 commune au circuit 6 de récupération et au circuit 7 de climatisation, illustrée sur la figure 1 en trait gras. L’expression «portion commune» désigne le fait que cette partie du circuit 1 thermodynamique peut être utilisée par le circuit 6 de récupération et le circuit 7 de climatisation en même temps, ou encore être utilisée par l’un seulement des circuits 6,7 selon le mode de fonctionnement du circuit 1 thermodynamique. Ces modes de fonctionnement seront détaillés ultérieurement dans cette description.

Le circuit 6 de récupération de chaleur comporte un premier échangeur 11 de chaleur, ci-après dénommé bouilleur 11 et une pompe 12 de circulation fluidique.

Cette pompe 12 de circulation est apte à faire circuler le fluide frigorigène dans le circuit 6 de récupération. Le bouilleur 11 permet des échanges de chaleur entre le circuit 6 de récupération et le circuit 2 de refroidissement du moteur.

Le circuit 7 de climatisation comprend un échangeur de chaleur ci-après dénommé évaporateur 13 de climatisation, un compresseur 14 de climatisation et un détendeur 15 de climatisation. Le compresseur 14 de climatisation et le détendeur 15 de climatisation permettent bien entendu, respectivement de comprimer et de détendre le fluide frigorigène dans le circuit 7 de climatisation. L’évaporateur 13 de climatisation permet de produire de l’air frais. Ainsi l’évaporateur 13 de climatisation est agencé de sorte qu’un flux d’air provenant de l’extérieur, d’une recirculation de l’air d’habitacle ou bien d’un mélange des deux traverse celui-ci. Cet air de l’extérieur est refroidi dans l’évaporateur 13 de climatisation puis envoyé vers l’habitacle tel quel, ou bien modifié ainsi que ceci sera expliqué ultérieurement.

La portion 10 commune comprend un dispositif 16 réversible et un condenseur 17 primaire. Ainsi que précédemment évoqué, la portion 10 commune s’étend depuis le premier embranchement 8, celui-ci étant situé en aval du compresseur 14 de climatisation (par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit de climatisation) jusqu’au deuxième embranchement 9 situé en aval du condenseur 17 primaire (par rapport au sens de circulation du fluide dans la portion commune). Le sens de circulation du fluide est représenté sur les figures par des flèches superposées sur les circuits. Le condenseur 17 primaire est apte à refroidir le fluide frigorigène circulant dans la portion 10 commune par échange de chaleur avec un premier flux 18 d’air.

Le dispositif 16 réversible peut fonctionner en mode compression où celui-ci est alimenté depuis une source extérieure d’énergie pour comprimer le fluide frigorigène, ou en mode de détente dans lequel le dispositif 16 réversible est entraîné par le fluide frigorigène pour produire de l’énergie. Dans ce dernier cas, le dispositif 16 réversible peut être couplé à un alternateur (non représenté sur les figures) ou bien directement au moteur thermique 3 pour respectivement produire de l’électricité ou bien apporter du couple au moteur thermique ce qui diminue la consommation de carburant de ce dernier. Le dispositif 16 réversible et le compresseur 14 peuvent aussi être liés l’un à l’autre par des moyens de conversion d’énergie pour entraîner le compresseur 14 à partie d’un travail récupéré au niveau du dispositif 16 réversible.

Le dispositif 16 réversible se situe entre le premier embranchement 8 et un troisième embranchement 19. Le troisième embranchement 19 se situe avantageusement en aval du bouilleur 11 par rapport au sens de circulation du fluide dans le circuit 6 de récupération. Par ailleurs, la portion 10 commune comprend un circuit 20 de dérivation qui s’étend depuis le premier embranchement 8 d’une part et jusqu’à un quatrième embranchement 21 d’autre part. Le quatrième embranchement 21 se situe en aval du troisième embranchement 19 et en amont du condenseur 17 primaire par rapport au sens de circulation du fluide dans la portion 10 commune. Le circuit 20 de dérivation permet avantageusement au circuit 1 thermodynamique de faire fonctionner le dispositif réversible : en tandem avec le compresseur 14 de climatisation, en d’autres termes le compresseur 14 de climatisation et le dispositif 16 réversible fonctionnent en série afin de diminuer leur taux de compression respectif et d’améliorer le rendement global de compression, dans ce cas le circuit 6 de récupération de chaleur ne fonctionne pas, en mode de détente lorsque le circuit 7 de climatisation ou le circuit 6 de récupération fonctionne seul ou encore lorsque les deux circuits 6,7 fonctionnent en même temps.

Une première vanne 22 d’ouverture/fermeture est agencée entre le premier embranchement 8 et le quatrième embranchement 21. Une seconde vanne 23 d’ouverture/fermeture est agencée entre le troisième embranchement 19 et le quatrième embranchement 21.

Le circuit 1 thermodynamique comprend deux vannes 24,25 anti-retour. Une première vanne 24 anti-retour est située en aval du bouilleur 11 dans le circuit 6 de récupération et en amont du troisième embranchement 19. Une seconde vanne 25 anti retour est située en aval du compresseur 14 de climatisation et en amont du premier embranchement 8. Les vannes 24,25 anti-retour empêchent du fluide frigorigène de s’écouler dans le mauvais sens de circulation du fluide lorsque notamment le circuit 6 de récupération ne fonctionne pas et que le circuit 7 de climatisation fonctionne et inversement. Ainsi la première vanne 24 empêche que du fluide endommage la pompe 12 de circulation. La seconde vanne 25 empêche que du fluide endommage le compresseur 14 de climatisation.

Avantageusement, la portion 10 commune comprend un condenseur 26 secondaire. Le condenseur 26 secondaire se situe en amont du condenseur 17 primaire et en aval du quatrième embranchement 21 par rapport au sens de circulation du fluide dans la portion 10 commune. Le condenseur 26 secondaire est au même titre que le condenseur 17 primaire apte à refroidir le fluide frigorigène par échange de chaleur. En revanche, l’échange de chaleur se fait avec un second flux 27 d’air distinct du premier flux 18 d’air. Le second flux 27 d’air est réchauffé et envoyé vers l’habitacle du véhicule automobile alors que le premier flux 18 d’air provient d’une source différente, en générale situé à l’avant du véhicule. Ainsi la position du condenseur 26 secondaire est idéale lorsque de l’air chaud est demandé, car si le condenseur 26 secondaire était positionné en aval du condenseur 17 primaire, le second flux 27 d’air ne pourrait être réchauffé aussi efficacement que c’est le cas dans le présent circuit 1 thermodynamique. L’utilisation de deux flux d’air différents pour l’échange de chaleur avec le condenseur 17 primaire et avec le condenseur 26 secondaire permet avantageusement de mieux refroidir le fluide frigorigène lorsque celui-ci transite dans la portion 10 commune. De ce fait, le fluide frigorigène peut repartir vers le circuit 6 de récupération et vers le circuit 7 de climatisation au niveau du deuxième embranchement 9 à une température plus basse permettant d’une part un meilleur rendement de recyclage des pertes thermiques dans le circuit 6 de récupération et un meilleur rendement du circuit 7 de climatisation.

Dans ce qui suit, seront décrits plusieurs mode de fonctionnement du circuit 1 thermodynamique. Sur les figures, les traits en pointillés désignent des zones dans lesquelles le fluide ne circule pas et les traits plein désignent les zones dans lesquelles le fluide circule.

Avantageusement le condenseur 17 primaire est équipé d’un séparateur de phase (non représenté). Ainsi, si en sortie du condenseur 17 primaire une partie du fluide frigorigène n’est pas condensée, cette partie gazeuse est séparée.

Avantageusement le circuit 7 de climatisation comprend une bouteille anticoups ou un séparateur de phase avant le compresseur (non représentés) afin d’éviter que du fluide frigorigène à l’état liquide n’entre dans le compresseur 14 de climatisation.

Avantageusement, le circuit 1 thermodynamique est agencé de telle sorte que le second flux 27 d’air peut : passer successivement au travers de l’évaporateur 13 de climatisation puis du condenseur 26 secondaire, ou passer à travers l’évaporateur 13 de climatisation puis contourner le condenseur 26 secondaire.

Premier mode de fonctionnement

Dans le premier mode de fonctionnement illustré sur la figure 2, le circuit 1 thermodynamique fonctionne en production de chaleur uniquement. Le circuit 7 de climatisation ne fonctionne pas car les passagers ne demandent pas d’air froid. Dans ce mode de fonctionnement, le circuit 6 de récupération et la portion 10 commune fonctionnent. Il n’y a néanmoins pas recyclage des pertes thermiques au moyen du dispositif 16 réversible. Ce mode de fonctionnement est utilisé lorsque l’on souhaite obtenir de l’air chaud dans l’habitacle et que la chaleur dégagée par le moteur 3 thermique n’est pas suffisante pour permettre une production d’énergie en même temps que le chauffage de l’habitacle.

Le fluide frigorigène est réchauffé dans le bouilleur 11 et s’évapore. La seconde vanne 23 est ouverte tandis que la première vanne 22 est fermée. Le fluide frigorigène se condense ensuite en partie dans le condenseur 26 secondaire par échange de chaleur avec le second flux 27 d’air destiné à l’habitacle. Ce second flux 27 d’air réchauffé sert de chauffage aux passagers. Le fluide frigorigène est ensuite condensé à nouveau dans le condenseur 17 primaire par échange de chaleur avec le premier flux 18 d’air pour une meilleure efficacité. En sortie du condenseur 17 primaire, le fluide frigorigène est quasi totalement à l’état liquide voir totalement à l’état liquide. Si toutefois ce n’était pas le cas, le circuit thermodynamique est avantageusement équipé, ainsi que précédemment évoqué, de séparateurs de phases. La boucle comportant le circuit 6 de récupération et la portion 10 commune est un cycle de Rankine ce qui signifie qu’en sortie du bouilleur 11 et du condenseur 17 primaire le fluide frigorigène est respectivement à l’état gazeux et à l’état liquide. La pompe 12 de circulation permet le mouvement du fluide. La pompe 12 de circulation est prévue pour un fluide à l’état liquide, le travail à apporter au fluide pour une différence de pression donnée est faible en comparaison avec un compresseur (utilisé pour les gaz), d’autant plus que le mode de fonctionnement ne nécessite qu’un différentiel de pression minime. La consommation en énergie est donc faible, en effet la consommation en énergie d’une pompe est directement liée à la différence de pression. L’utilisation de deux condenseurs 26,17 en série sur la portion 10 commune permet de favoriser la présence à l’entrée pompe de fluide à l’état liquide. Il est ainsi possible d’obtenir de l’air en particulier dans l’habitacle chaud avec une faible consommation d’énergie extérieure au circuit 1 thermodynamique.

Autrement dit, dans ce mode, le circuit 1 thermodynamique est configuré pour autoriser une circulation du fluide frigorigène uniquement dans le circuit 6 de récupération de chaleur, en court-circuitant le dispositif 16 réversible par le circuit 20 de dérivation.

Deuxième mode de fonctionnement

Dans un deuxième mode de fonctionnement illustré sur la figure 3, la première vanne 22 est ouverte et la seconde 23 vanne est fermée. Le circuit 7 de climatisation et le circuit 6 de récupération fonctionnent. Le dispositif 16 réversible fonctionne en mode de détente et produit de l’énergie.

Dans ce mode de fonctionnement, le fluide frigorigène sort du bouilleur 11 à l’état gazeux et est détendu dans le dispositif 16 réversible lequel produit un travail qui peut être exploité par un alternateur ou directement couplé au moteur thermique pour lui apporter du couple. Le fluide frigorigène détendu transit par le circuit 20 de dérivation et traverse le condenseur 26 secondaire sans y être condensé. En effet dans ce mode de fonctionnement, de l’air frais est demandé par les passagers et cet air frais est directement envoyé après refroidissement vers l’habitacle. Le fluide frigorigène est ensuite condensé dans le condenseur 17 primaire et la partie gazeuse restante est séparée. Au deuxième embranchement 17 le fluide frigorigène liquide se divise pour aller vers le circuit de climatisation 13 d’une part et vers le 1 lbouilleur d’autre part.

Da manière simultanée, dans le circuit 7 de climatisation le fluide frigorigène est détendu dans le détendeur 15 puis réchauffé dans l’évaporateur 13 de climatisation où il passe à l’état gazeux en refroidissant le second flux 27 d’air. Le fluide frigorigène gazeux est ensuite comprimé dans le compresseur 14 de climatisation puis rejoint la portion 10 commune.

Dans ce mode de fonctionnement de l’air froid est envoyé vers l’habitacle, cet air froid étant obtenu par échange de chaleur avec l’évaporateur 13 de climatisation. L’air ne traverse pas le condenseur 26 secondaire ainsi que l’illustrent les flèches qui schématiquement contournent le condenseur 26 secondaire.

Dans ce mode de fonctionnement, il est toutefois possible d’obtenir de l’air froid avec peu d’énergie consommée. En effet, la pompe 12 de circulation du circuit 6 de récupération consomme peu d’énergie comme expliqué dans le premier mode de fonctionnement. Le compresseur 14 de climatisation est quant à lui énergivore car il comprime un gaz et son moteur tourne par conséquent plus rapidement. Néanmoins, le dispositif 16 réversible produit de l’énergie grâce au circuit 6 de récupération de chaleur qui fonctionne en cycle de Rankine. Le bilan énergétique sur le circuit thermodynamique est par conséquent intéressant car la production d’air climatisé ne nécessite que peu d’énergie car une partie significative de l’énergie consommée par la pompe 12 et par le compresseur 14 de climatisation est recouvrée grâce au dispositif 16 réversible.

Troisième mode de fonctionnement

Dans un troisième mode de fonctionnement illustré sur la figure 4, le circuit 7 de climatisation fonctionne et produit de l’air à une température voisine de 3°C. Dans ces conditions de température l’air est asséché et très froid. Le troisième mode de fonctionnement est similaire au deuxième mode de fonctionnement à la différence que l’air ne contourne par le condenseur 26 secondaire mais le traverse. Ainsi le fluide frigorigène est fortement refroidi dans le condenseur 26 secondaire tandis que l’air à 3°C est réchauffé à une température confortable pour les passagers. Le fluide frigorigène ainsi refroidi dans le condenseur 26 secondaire est à nouveau refroidi dans le condenseur 17 primaire. En sortie du condenseur 17 primaire la température est basse et une importante quantité de fluide frigorigène a été condensée. Dans un tel mode, le phénomène de condensation doit assurer l’évacuation de la chaleur absorbée par le fluide dans le bouilleur 11, l’évaporateur 13 et le compresseur 14. La présence de deux condenseurs permet d’améliorer l’efficacité de ce processus de condensation ( en comparaison avec un seul condenseur primaire en face avant), et de profiter de cette nécessiter d’évacuer de la chaleur pour chauffer l’air à destination de l’habitacle à travers le condenseur secondaire 26. Par ailleurs cette amélioration de la condensation permet d’effectuer ce processus à une pression plus basse pour une température extérieure donnée, améliorant la puissance générée sur le dispositif réversible grâce au meilleur différentiel de pression entre son entrée et sa sortie.

En d’autres termes, dans ce mode, le circuit 1 est configuré pour permettre au second flux d’air 27 de traverser successivement l’évaporateur 13 puis le condenseur 26 secondaire pendant que circuit 7 de climatisation et le circuit 6 de récupération de chaleur fonctionnent.

Le troisième mode de fonctionnement permet d’obtenir de l’air très refroidi puis réchauffé (ce qui est énergivore car le compresseur de climatisation tourne par conséquent plus rapidement). Toutefois la consommation d’énergie peut être largement recouvrée grâce à l’agencement de la portion commune tel que précédemment décrit. En effet, dans ce mode de fonctionnement le dispositif 16 réversible produit un important travail.

Quatrième mode de fonctionnement

Dans un quatrième mode de fonctionnement illustré sur la figure 5, la seconde vanne 23 est ouverte et la première vanne 22 est fermée. Le circuit 7 de climatisation fonctionne et le circuit 6 de récupération fonctionne mais n’est utilisé que pour réchauffer l’air refroidi dans l’évaporateur 13 de climatisation.

Dans ce mode de fonctionnement, le circuit de climatisation utilise le compresseur 14 de climatisation et le dispositif 16 réversible en mode compresseur. Le second flux 27 d’air est refroidi à une température d’environ 3°C après avoir traversé l’évaporateur 13 de climatisation.

Le second flux 27 d’air est ensuite réchauffé dans le condenseur 26 secondaire avant d’être envoyé dans l’habitacle.

Autrement dit, dans ce mode, le circuit 1 thermodynamique est configuré pour permettre une circulation du fluide frigorigène dans le circuit 7 de climatisation en passant en série dans le compresseur 14, le dispositif 16 réversible puis le circuit 20 de dérivation.

Ce mode de fonctionnement ne permet pas de produire de l’énergie.

Dans ce mode de fonctionnement, la climatisation présente un meilleur rendement car le compresseur de climatisation et le dispositif réversible fonctionnent en série. A noter que pour avoir un meilleur rendement pour un taux de compression donné, il est préférable d’utiliser deux compresseurs comprimant en série chacun avec un taux de compression réduit plutôt qu’un compresseur comprimant au taux de compression donné.

Cinquième mode de fonctionnement

Dans un cinquième mode de fonctionnement illustré sur la figure 6, la première vanne 22 est fermée et la seconde vanne 23 est ouverte. La pompe 12 de circulation est à l’arrêt et par conséquent il n’y pas de récupération de chaleur au niveau du bouilleur 11.

Dans ce mode de fonctionnement, le second flux 27 d’air traverse l’évaporateur 13 de climatisation et contourne le condenseur 26 secondaire. La climatisation fonctionne. Le compresseur 14 de climatisation fonctionne et le dispositif 16 réversible fonctionne en mode de compression. Le compresseur 14 de climatisation et le dispositif 16 réversible sont avantageusement agencés en série ce qui est énergétiquement préférable lorsque l’on souhaite obtenir un fort taux de compression. En effet deux compresseur de taille réduite en série permettant d’obtenir un taux de compression donné aura un meilleur rendement qu’un seul compresseur permettant d’obtenir ce taux de compression donné. Dans ce mode de fonctionnement, la climatisation est efficace présentant un meilleur rendement car le compresseur et le dispositif réversible fonctionnent en série.

Sixième mode de fonctionnement

Dans un sixième mode de fonctionnement illustré sur la figure 7, la première vanne 22 est ouverte et la seconde vanne 23 est fermée. Le circuit 7 de climatisation ne fonctionne pas et par conséquent le compresseur 14 de climatisation aussi. Le circuit 6 de récupération fonctionne et le dispositif 16 réversible fonctionne en mode de détente produisant ainsi un travail. Le second flux 27 d’air traverse l’évaporateur 13 de climatisation sans incidence sur sa température car le circuit 7 de climatisation ne fonctionne pas puis traverse le condenseur 26 secondaire. Le fluide frigorigène est refroidi une première fois dans le condenseur 26 secondaire, réchauffant ainsi l’air destiné à l’habitacle, puis une seconde fois dans le condenseur 17 primaire. Dans ce mode de fonctionnement le bilan énergétique du circuit thermodynamique est positif car le dispositif réversible produit plus de travail que la pompe 12 de circulation ne consomme d’énergie. Un circuit de récupération de chaleur type Rankine génère d’autant plus de puissance que la pression de condensation est basse. La présence de 2 condenseurs 26,17 dans ce mode de fonctionnement permet d’améliorer le processus de condensation qui peut avoir lieu, pour une température extérieure donnée, à une pression plus faible que si on avait simplement un condenseur primaire pour assurer cette fonction. Ceci tout en assurant le chauffage de l’habitacle grâce à l’évaporateur secondaire 26.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS

   1. Circuit (1) thermodynamique pour véhicule automobile dans lequel circule un fluide frigorigène, ledit circuit (1) comprenant ; - un circuit (6) de récupération de chaleur muni d’au moins un premier échangeur (11) de chaleur apte à réchauffer le fluide frigorigène à partir d’une source de chaleur, - un circuit (7) de climatisation, le circuit (1) thermodynamique comprenant une portion (10) commune au circuit (6) de récupération et au circuit (7) de climatisation, cette portion (10) commune comprenant un condenseur (17) primaire pour refroidir le fluide frigorigène par échange de chaleur avec un premier flux (18) d’air dit « de face avant », la portion (10) commune comprenant en outre un condenseur (26) secondaire apte à refroidir le fluide frigorigène par échange de chaleur avec un second flux d’air (27) en réchauffant ce dernier, le second flux (27) d’air étant distinct du premier flux (18) d’air, le second flux (27) d’air ainsi réchauffé étant destiné à l’habitacle du véhicule automobile, caractérisé en ce que le circuit (6) de récupération, comprend un dispositif (16) réversible apte à fonctionner en mode compression ou en mode de détente pour une production d’énergie.
2. 2. Circuit (1) thermodynamique selon la revendication 1 dans lequel le circuit (.1) thermodynamique est agencé de telle sorte que le second flux d’air (27) peut : passer successivement au travers d’un évaporateur (13) du circuit (7) de climatisation puis du condenseur (26) secondaire de la portion (10) commune, ou passer au travers de l’évaporateur (13) puis contourner le condenseur (26) secondaire.
3. 3. Circuit (1) thermodynamique selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel la portion (10) commune s’étend depuis un premier embranchement (8) où le circuit (6) de récupération et le circuit (7) de climatisation convergent et un deuxième embranchement (9) où le circuit (6) de récupération et le circuit (7) de climatisation divergent, le dispositif (16) réversible étant situé entre un troisième embranchement (19), le troisième l’embranchement (19) étant situé en aval du premier échangeur (11) de chaleur par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit (6) de récupération, et le premier embranchement (8).
4. 4. Circuit (1) thermodynamique selon la revendication 3 dans lequel la portion (10) commune comprend un circuit (20) de dérivation qui s’étend depuis le troisième embranchement (19) jusqu’à un quatrième embranchement (21), ce dernier étant situé en aval du premier embranchement (8) et en amont du condenseur (17) primaire par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans la portion (10) commune.
5. 5. Circuit (1) thermodynamique selon la revendication 4 dans lequel le condenseur (26) secondaire se situe en amont du condenseur (17) primaire et en aval du quatrième embranchement (21) par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans la portion (10) commune.
6. 6. Circuit (1) thermodynamique selon l’une quelconque des revendications 3 à 5 dans lequel le circuit (1) thermodynamique comprend une première vanne (24) anti-retour situé en aval du premier échangeur (11) de chaleur et en amont du troisième embranchement (19) par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit (6) de récupération.
7. 7. Circuit (1) thermodynamique selon l’une quelconque des revendications î à 6 dans lequel le circuit (1) thermodynamique comprend une seconde vanne (25) anti-retour située en aval d’un compresseur (14) de climatisation du circuit (7) de climatisation, la seconde (25) vanne anti-retour étant située en amont du premier embranchement (8).
8. 8. Circuit (1) thermodynamique selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5 dans lequel la portion (10) commune comprend une première vanne (22) d’ouverture/fermeture agencée entre le premier embranchement (8) et le quatrième embranchement (21).
9. 9. Circuit (1) thennodynamique selon l’une quelconque des revendications 4, 5 ou 8 dans lequel le circuit (20) de dérivation comprend une seconde vanne (23) d’ouverture/fermeture,
10. 10. Circuit (1) thermodynamique selon l’une quelconque des revendications 7 à 9 dans lequel le compresseur (14) et le dispositif (16) réversible sont liés l’un à l’autre par des moyens de conversion d’énergie pour entraîner le compresseur (14) à partir d’un travail récupéré au niveau du dispositif (16) réversible. IL Circuit (1) thermodynamique selon l’une quelconque des revendications 4 à 10 dans lequel le circuit (1) est configuré pour autoriser une circulation dans le circuit (6) de récupération de chaleur, en court-circuitant ledit dispositif (16) réversible par ledit circuit (20) de dérivation.
11. 12. Circuit (1) thermodynamique selon l’une quelconque des revendications 4 à 11 dans lequel le circuit (1) est configuré pour permettre une circulation du fluide frigorigène dans le circuit (7) de climatisation en passant en série dans le compresseur (14), le dispositif (16) réversible puis le circuit (20) de dérivation,
12. 13. Circuit (1) thermodynamique selon l’une quelconque des revendications 4 à 12 dans lequel le circuit (1) est configuré pour permettre au second flux d’air (27) de traverser successivement l’évaporateur (13) puis le condenseur (26) secondaire pendant que circuit (7) de climatisation et le circuit (6) de récupération de chaleur fonctionnent.