FR3069049A1 - Systeme de conditionnement d'air pour vehicule automobile - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un système de conditionnement d'air (1) pour véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend : -un circuit principal (104, 204, 304) dans lequel circule un fluide frigorigène principal, ledit circuit principal comprenant au moins un premier échangeur de chaleur extérieur (10) destiné à réaliser un échange de chaleur entre le fluide frigorigène principal et un flux d'air extérieur (E), et au moins un premier échangeur de chaleur intérieur (14) destiné à réaliser un échange de chaleur entre ledit fluide frigorigène principal et un flux d'air (I, I") destiné à être délivré dans un premier compartiment (82), -un circuit secondaire (106, 206, 306) dans lequel circule un fluide frigorigène secondaire, ledit fluide frigorigène secondaire étant une portion dudit fluide frigorigène principal, ledit circuit secondaire comprenant au moins un deuxième échangeur de chaleur intérieur (12) destiné à réaliser un échange de chaleur entre ledit fluide frigorigène secondaire et un flux d'air (I) destiné à être délivré dans le premier compartiment (82) ou dans un deuxième compartiment, ledit système étant destiné à pouvoir fonctionner en mode pompe à chaleur et en mode climatisation.

Description

L'invention concerne un système de conditionnement d'air pour véhicule, ledit système comprenant une branche principale apte à modifier la température d'un compartiment du véhicule et comprenant une branche secondaire apte à modifier la température dudit compartiment ou d'un deuxième compartiment.
Les véhicules automobiles sont couramment équipés d'un système de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation pour modifier les paramètres aérothermiques de l'air contenu à l'intérieur de l'habitacle du véhicule. Une telle modification est obtenue à partir de la délivrance d'un flux d'air soufflé à l'intérieur de l'habitacle. Dans le cas d'un véhicule électrique ou hybride, dont la propulsion est assurée au moins partiellement par un moteur électrique, un tel système est nécessairement adapté à l'absence permanente (véhicule électrique) ou temporaire (véhicule hybride) de source chaude, comme par exemple un moteur thermique.
Des systèmes de conditionnement d'air pour véhicules électriques ou hybrides sont décrits dans l'art antérieur. Ils permettent d'assurer au moins une des fonctions suivantes :
- Refroidissement ou climatisation,
- Chauffage ou pompe à chaleur,
- Déshumidification, en particulier le refroidissement de l'air pulsé dans l'habitacle, que ce soit en mode refroidissement ou en mode chauffage, de façon à provoquer la condensation d'une partie de la vapeur d'eau qu'il contient, et
- Récupération de chaleur, utile en particulier lorsque l'échangeur de chaleur extérieur est inopérant.
Un tel système comprend de manière connue un boîtier de climatisation habituellement logé sous une planche de bord du véhicule.
Le boîtier comporte une unité de ventilation. Il reçoit un flux d’air extérieur et le puise en vue de sa délivrance à l’intérieur de l’habitacle. A l’intérieur de ce boîtier sont habituellement logés un premier échangeur de chaleur destiné au refroidissement de l'air pulsé vers l'habitacle du véhicule et un deuxième échangeur de chaleur, destiné au chauffage de l'habitacle. Ces différents organes sont reliés entre eux et à un autre échangeur de chaleur, dit extérieur, situé en face avant du véhicule pour échanger de la chaleur avec un flux d'air extérieur, par un circuit de canalisations dans lesquelles circule un fluide frigorigène. Ce circuit comprend en outre un compresseur, au moins un détendeur propre à décompresser le fluide et des moyens tels que des vannes pour orienter différemment le fluide dans les différentes canalisations selon le mode de fonctionnement recherché par l'utilisateur.
Cependant, dans les systèmes décrits dans l'art antérieur la température du fluide frigorigène en sortie de compresseur peut être très élevée, par exemple de l'ordre de 150°C, risquant d'endommager certains composants du circuit de fluide frigorigène, comme par exemple des vannes et/ou des matériaux plastiques formant le boîtier du dispositif de chauffage, ventilation et/ou air conditionné.
De plus, ces systèmes ne permettent pas d'assurer les quatre fonctions de climatisation, chauffage, déshumidification et récupération de chaleur dans des conditions optimisées.
Par ailleurs, les systèmes de l'art antérieur ne sont pas toujours compatibles à la fois avec les fluides chimiques et avec le dioxyde de carbone.
Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un système permettant d'assurer les quatre fonctions de conditionnement d'air, en particulier les fonctions de climatisation, chauffage, déshumidification et récupération de chaleur, tout en abaissant la température du fluide frigorigène en sortie de compresseur. La présente invention sera compatible avec les fluides chimiques ainsi que le dioxyde de carbone.
La présente invention a pour objet un système de conditionnement d'air pour véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend :
-un circuit principal dans lequel circule un fluide frigorigène principal, ledit circuit principal comprenant au moins un premier échangeur de chaleur extérieur destiné à réaliser un échange de chaleur entre le fluide frigorigène principal et un flux d'air extérieur, et au moins un premier échangeur de chaleur intérieur destiné à réaliser un échange de chaleur entre ledit fluide frigorigène principal et un flux d'air destiné à être délivré dans un premier compartiment,
-un circuit secondaire dans lequel circule un fluide frigorigène secondaire, ledit fluide frigorigène secondaire étant une portion dudit fluide frigorigène principal, ledit circuit secondaire comprenant au moins un deuxième échangeur de chaleur intérieur destiné à réaliser un échange de chaleur entre ledit fluide frigorigène secondaire et un flux d'air destiné à être délivré dans le premier compartiment ou dans un deuxième compartiment, ledit système étant destiné à pouvoir fonctionner en mode pompe à chaleur et en mode climatisation.
Avantageusement, le système de conditionnement d'air de la présente la présente invention permet, grâce au circuit secondaire, de baisser la température du fluide frigorigène principal en sortie de compresseur. Ainsi, grâce à une baisse de la température une plus large gamme de matériaux peut être utilisée pour les différents composants du système. De plus, un tel système est compatible avec les fluides chimiques et avec le dioxyde de carbone car il ne comporte pas de bouteille à la pression intermédiaire P2 ou à la haute pression Pl. Par ailleurs, le circuit secondaire est valorisé puisque le deuxième échangeur de chaleur intérieur permet de chauffer ou de refroidir un compartiment du véhicule, par exemple, l'habitacle, la batterie ou l'électronique de puissance. Un autre avantage est que le système permet d'assurer quatre fonctions de conditionnement d'air, en particulier les fonctions de climatisation, de chauffage, de déshumidification et de récupération de chaleur.
On entend par mode pompe à chaleur que le dispositif permet de transférer de l’énergie thermique (calories) d’un milieu à basse température (évaporateur) vers un milieu à haute température (condenseur). On entend par mode climatisation que le dispositif permet de refroidir ou réchauffer l'habitacle du véhicule.
Dans l'invention, le fluide frigorigène secondaire est une portion du fluide frigorigène principal. La quantité de fluide frigorigène secondaire peut aller de 5% à 40%, de préférence de 8% à 30%, et plus préférentiellement de 10% à 20% de la quantité de fluide frigorigène principal.
Selon l'invention, au moins un deuxième échangeur de chaleur intérieur est destiné à réaliser un échange de chaleur entre ledit fluide frigorigène secondaire et une source de chaleur pouvant provenir d'une batterie, de l'électronique de puissance, de la chaîne de traction ou de l'habitacle.
Le fluide frigorigène principal correspond soit au fluide frigorigène principal dans son intégralité, notamment au fluide frigorigène principal avant qu'une portion ne lui soit enlevée pour former le fluide frigorigène secondaire, soit au fluide frigorigène principal après qu'il ait été séparé de la portion formant le fluide frigorigène secondaire.
Le système de conditionnement d'air de l'invention, peut comprendre un point de jonction au niveau duquel le fluide frigorigène principal à une température Tl et le fluide frigorigène secondaire à une température T2 sont mélangés. De façon avantageuse, le fluide frigorigène principal et le fluide frigorigène secondaire peuvent être à la même pression lors de leur mélange au niveau du point de jonction.
Selon un mode de réalisation avantageux, la température Tl est supérieure à la température T2. La température du fluide frigorigène principal est ainsi abaissée par son mélange avec le fluide frigorigène secondaire.
Dans le système de l'invention, le fluide frigorigène principal peut être à une pression Pl en aval du premier compresseur et le fluide frigorigène secondaire peut être à une pression intermédiaire P2 en amont du point de jonction, P2 étant inférieure à Pl.
Selon une variante préférée de l'invention, le système peut comprendre au moins un deuxième compresseur situé en amont du premier compresseur.
Selon cette variante préférée, le point de jonction peut être avantageusement situé entre le premier et le deuxième compresseur. Selon cette variante préférée, la pression du fluide frigorigène principal est augmentée par le deuxième compresseur avant son mélange avec le fluide frigorigène secondaire, le mélange se faisant en aval du deuxième compresseur et en amont du premier compresseur.
Selon cette variante préférée, le fluide frigorigène principal peut être à une pression P3 en amont du deuxième compresseur, P3 pouvant être inférieure à P2. Avantageusement, le deuxième compresseur peut augmenter la pression du fluide frigorigène principal jusqu'à la pression P2, ce qui permet au fluide frigorigène principal et au fluide frigorigène secondaire d'être à la même pression lorsqu'ils sont mélangés au point de jonction.
Selon une première alternative de cette variante préférée, le premier et le deuxième compresseur peuvent fonctionner à des taux de compression égaux.
Selon une deuxième alternative de cette variante préférée, le premier et le deuxième compresseur peuvent fonctionner à des taux de compression différents. De façon avantageuse, le taux de compression du premier compresseur peut être plus faible que le taux de compression du deuxième compresseur, ainsi, le système de conditionnement d'air de l'invention fonctionne de façon plus économique.
Selon une variante possible, le système de conditionnement d'air de l'invention peut comprendre un troisième échangeur de chaleur intérieur pouvant permettre de compléter l'action du premier échangeur de chaleur intérieur. Ainsi, le premier échangeur de chaleur peut pré-refroidir ou pré-chauffer un flux d'air qui est ensuite refroidit ou réchauffé par le troisième échangeur de chaleur intérieur, permettant ainsi au système de fonctionner de façon plus économique.
Selon cette variante, le système peut permettre la déshumidification de l'air destiné à être délivré dans le premier compartiment, la déshumidification pouvant être réalisée lorsque le système fonctionne en mode climatisation ou en mode chauffage.
Le système de conditionnement d'air de l'invention peut comprendre un échangeur de chaleur interne pouvant permettre un échange de chaleur entre le fluide frigorigène principal et le fluide frigorigène secondaire.
Le système de conditionnement d'air de l'invention peut comprendre un accumulateur, ledit accumulateur étant situé de préférence en amont du premier compresseur dans le cas où le système ne comprend qu'un compresseur, ou en amont du deuxième compresseur dans le cas où le système comprend un premier et un deuxième compresseur.
L'invention a pour autre objet un procédé de conditionnement d'air utilisant le système de conditionnement d'air selon l'invention et comprenant :
- une première étape d'échange de chaleur entre le fluide frigorigène principal et un flux d'air destiné à être délivré dans le premier compartiment du véhicule et
- une deuxième étape d'échange de chaleur entre le fluide frigorigène secondaire et un flux d'air destiné à être délivré dans le premier compartiment ou dans le deuxième compartiment.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant le système de conditionnement d'air selon l'invention.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description d'exemples non limitatifs de systèmes de conditionnement d'air pour véhicules selon l'invention, faits en référence aux figures.
La figure 1 est une vue schématique d'un système de conditionnement d'air selon l'invention.
La figure 2 est une vue schématique d'un système 100 de conditionnement d'air selon l'invention fonctionnant en mode climatisation.
La figure 3 représente un diagramme de Mollier correspondant au système 100 de la figure 2.
La figure 4 est une vue schématique d'un système 200 de conditionnement d'air selon l'invention fonctionnant en mode pompe à chaleur.
La figure 5 représente un diagramme de Mollier correspondant au système 200 de la figure 4.
La figure 6 est une vue schématique d'un système 300 de conditionnement d'air selon l'invention fonctionnant en mode déshumidification.
La figure 7 représente un diagramme de Mollier correspondant au système 300 de la figure 6.
La figure 8 est une vue schématique d'un système 400 de conditionnement d'air selon l'invention fonctionnant en récupération de chaleur.
La figure 9 représente un diagramme de Mollier correspondant au système 400 de la figure 8.
Système
La figure 1 est une vue schématique d'un système de conditionnement d'air 1 selon un mode de réalisation de l'invention.
Le système 1 comprend un circuit fermé à l'intérieur duquel circule un fluide frigorigène. Le fluide frigorigène peut être par exemple un fluide supercritique tel que du dioxyde de carbone référencé R.-744. Le fluide frigorigène peut également être un fluide sous-critique tel qu'un fluide frigorigène fluoré référencé R-134a, ou non fluoré référencé 1234yf.
Le système 1 comprend un échangeur de chaleur extérieur 10 permettant d'échanger de la chaleur entre un fluide frigorigène principal circulant dans le système 1 et un flux d'air extérieur E. L'échangeur de chaleur extérieur 10 peut fonctionner en évaporateur ou en condenseur selon le mode de fonctionnement du système 1.
Le système 1 comprend également un premier échangeur de chaleur intérieur 14, un deuxième échangeur de chaleur 12, et optionnellement un troisième échangeur de chaleur 16. Le deuxième échangeur de chaleur 12 permet d'échanger de la chaleur entre un fluide frigorigène secondaire le traversant et un flux d'air I provenant de l'extérieur ou de l'habitacle conduisant à un flux d'air I destiné à être conditionné par le premier échangeur 14, ou à être délivré dans un compartiment du véhicule. Le premier échangeur de chaleur intérieur 14 permet d'échanger de la chaleur entre le fluide frigorigène principal le traversant et un flux d'air I provenant de l'extérieur ou de l'habitacle, ou entre le fluide frigorigène principal et un flux d'air I résultant du conditionnement du flux d'air I par le deuxième échangeur de chaleur 12. Un flux d'air I' réchauffé ou refroidit par le premier échangeur de chaleur intérieur 14 peut être délivré par le conduit 80 directement dans un compartiment du véhicule ou être soufflé vers le troisième échangeur de chaleur intérieur 16. Le troisième échangeur de chaleur intérieur 16 permet d'échanger de la chaleur entre le fluide frigorigène principal le traversant et le flux d'air I' afin de délivrer un flux d'air Γ dans un compartiment du véhicule, de préférence l'habitacle du véhicule.
De façon avantageuse, dans l'invention, le deuxième échangeur de chaleur 12 peut être intégré au premier échangeur de chaleur 14.
Le système 1 comprend en outre un premier compresseur 22 et un deuxième compresseur 20 pouvant fonctionner à des taux de compression égaux ou différents. Lorsque le premier et le deuxième compresseur, respectivement 22 et 20 fonctionnent à des taux de compression différents, le premier compresseur 22 fonctionne à un taux de compression plus faible que le deuxième compresseur 20.
Le système 1 comprend également un accumulateur 30 placé en amont du deuxième compresseur 20 et comprenant deux entrées, une entrée 32 pour le fluide frigorigène principal lorsque le système fonctionne en mode climatisation et une entrée 34 pour le fluide frigorigène principal lorsque le système fonctionne en mode chauffage.
Le système 1 comprend également des vannes de contrôle 60, 62, 64 et 66 pouvant être ouvertes ou fermées selon le mode de fonctionnement du système et des vannes anti-retour 70, 72, 74, 76 et 78. Ces vannes permettent d'orienter le fluide frigorigène dans les différents circuits du système 1.
Le système 1 comprend en outre deux détendeurs 50 et 52 permettant de décompresser le fluide frigorigène principal. Un détendeur thermostatique 54 est placé au début du circuit de fluide frigorigène secondaire et permet de contrôler la détente du fluide frigorigène secondaire en fonction de l'évaluation de sa température au point de contrôle 56 afin d'éviter par exemple une surchauffe trop élevée.
Le système 1 comprend enfin un échangeur de chaleur interne 40 traversé par le fluide frigorigène principal et par le fluide frigorigène secondaire et permettant un échange de chaleur entre ces deux fluides. L'échangeur de chaleur interne 40 est donc bien différent d'un échangeur de chaleur intérieur qui est traversé par un fluide et permet de modifier la température d'un flux d'air.
Mode climatisation
La figure 2 est une vue schématique d'un système de conditionnement d'air 100 selon un mode de réalisation de l'invention, le système 100 fonctionnant en mode climatisation. Selon ce mode de réalisation, le système 100 est destiné à climatiser un habitacle de véhicule automobile 102. Les changements de température et de pression du fluide frigorigène dans le système 100 de la figure 2 sont représentés sur le diagramme de Mollier de la figure 3.
Le système 100 comprend un circuit principal 104 dans lequel circule un fluide frigorigène principal et un circuit secondaire 106 dans lequel circule un fluide frigorigène secondaire.
Le fluide frigorigène principal sort du premier compresseur 22 au niveau du point de jonction 110 à une température et une pression (PI) hautes. La vanne de contrôle 62 étant fermée lors du fonctionnement en mode climatisation, le fluide frigorigène traverse la vanne de contrôle 60 puis l'échangeur de chaleur extérieur 10 fonctionnant en mode condenseur. Lors de son passage dans l'échangeur de chaleur 10, le fluide frigorigène principal échange de la chaleur avec l'air extérieur E et est alors refroidit. Le fluide frigorigène traverse ensuite la vanne anti-retour 72 et circule jusqu'au point de jonction 112. A partir du point de jonction 112, une portion du fluide frigorigène principal, appelée fluide frigorigène secondaire, est dirigée vers le circuit secondaire 106.
Dans le circuit principal 104, à partir du point de jonction 112, le fluide frigorigène principal traverse l'échangeur de chaleur interne 40 dans lequel il échange de la chaleur avec le fluide frigorigène secondaire (cette partie sera détaillée lorsque le circuit secondaire sera décrit). Au point 114, après avoir traversé l'échangeur de chaleur interne 40, le fluide frigorigène principal a été légèrement refroidit. Le fluide frigorigène principal traverse ensuite la vanne anti-retour 78 puis le détendeur 52 à la sortie duquel, au point 116, la pression du fluide frigorigène a diminuée et le fluide frigorigène principal est alors à une température et une pression (P3) basses.
Le fluide frigorigène principal traverse alors l'échangeur de chaleur intérieur 14 qui fonctionne en évaporateur. En traversant l'échangeur de chaleur intérieur 14, le fluide frigorigène principal échange de la chaleur avec le flux d'air I ou le flux d'air I, le flux d'air I étant issu du refroidissement du flux d'air I par le deuxième échangeur de chaleur intérieur 12 (cette partie sera expliquée lorsque le circuit secondaire sera décrit). Un flux d'air I' refroidit est alors délivré à l'intérieur de l'habitacle 82. A la sortie de l'échangeur de chaleur 14, au point 118, le fluide frigorigène principal a été chauffé par le flux d'air I ou le flux d'air I.
Le fluide frigorigène principal traverse ensuite la vanne de contrôle 66 puis l'accumulateur 30 dans lequel un éventuel reliquat de fluide frigorigène liquide est retenu. Le fluide frigorigène principal à une température et une pression (P3) basse traverse alors le deuxième compresseur 20 dans lequel la pression du fluide frigorigène est augmentée à une pression intermédiaire (P2), en particulier à une pression inférieure à la pression haute (Pl) du fluide frigorigène principal et supérieure à la pression basse (P3) du fluide frigorigène principal.
Au point 119, à sa sortie du deuxième compresseur 20, le fluide frigorigène principal est donc à une température légèrement supérieure à sa température au point 118 et à la pression intermédiaire (P2).
Comme expliqué précédemment, au point de jonction 112, une portion du fluide frigorigène principal, appelée fluide frigorigène secondaire est dirigée vers le circuit secondaire 106. Le fluide frigorigène secondaire traverse alors le détendeur thermostatique 54 dans lequel sa pression est abaissée à la pression intermédiaire (P2), en particulier à une pression inférieure à la pression haute (Pl) du fluide frigorigène principal et supérieure à la pression basse (P3) du fluide frigorigène principal.
Lors de son passage dans le deuxième échangeur thermique 12 qui fonctionne ici en évaporateur, le fluide frigorigène secondaire échange de la chaleur avec le flux d'air I pouvant provenir de l'extérieur ou de l'habitacle, formant un flux d'air I refroidit. Le flux d'air I peut également être utilisé pour refroidir l'habitacle du véhicule directement ou indirectement en étant au préalable refroidit en un flux d'air I' par le premier échangeur de chaleur 14, le flux d'air I' résultant étant destiné à refroidir l'habitacle. Ainsi, dans le système de l'invention, le circuit secondaire 106 dans lequel circule le fluide frigorigène secondaire est valorisé.
Selon une variante possible, lors de son passage dans le deuxième échangeur thermique 12 qui fonctionne ici en évaporateur, le fluide frigorigène échange de la chaleur avec une source de chaleur autre que le flux d'air I. Cette source de chaleur peut par exemple être le système de batterie, l'électronique de puissance embarquée sur véhicule ou par exemple un liquide caloporteur permettant d'assurer la gestion thermique du système de batterie ou de l'électronique de puissance. Dans ces différents cas, nous pouvons voir que l'échangeur thermique 12 peut être un échangeur air/réfrigérant, réfrigérant/ liquide caloporteur ou par exemple une plaque batterie dans le cas d'un refroidissement direct.
Au point 124, après avoir traversé le deuxième échangeur thermique 12, le fluide frigorigène secondaire est toujours à la pression intermédiaire (P2) et son enthalpie a augmenté. L'enthalpie du fluide frigorigène secondaire est encore augmentée lors de son passage dans l'échangeur de chaleur interne 40 dans lequel il échange de la chaleur avec le fluide frigorigène principal qui est plus chaud. Le fluide frigorigène secondaire est ainsi chauffé entre le point 124 et le point 126 et le fluide frigorigène principal est refroidit entre le point 112 et le point 114.
Le fluide frigorigène secondaire circule ensuite jusqu'au point de jonction 120 au niveau duquel il est mélangé avec le fluide frigorigène principal venant de sortir du deuxième compresseur 20. La température du fluide frigorigène principal est alors abaissée avant son entrée dans le premier compresseur 22. Le mélange du fluide frigorigène principal et du fluide frigorigène secondaire est alors comprimé par le premier compresseur 22 conduisant au fluide frigorigène principal au point 110 ayant une pression (PI) et une température hautes. Cependant, grâce au circuit secondaire, la température du fluide frigorigène principal n'est pas aussi élevée que dans un système de l'art antérieur.
De façon avantageuse, dans le système 100 les taux de compressions du deuxième compresseur 20 et du premier compresseur 22 sont différents. En particulier, le taux de compression du premier compresseur 22 est plus faible que le taux de compression du deuxième compresseur 20. Ceci permet au fluide frigorigène secondaire d'être à une pression à laquelle le deuxième échangeur de chaleur 12 fonctionne en mode évaporateur par rapport à la température du flux d'air I.
La figure 3 représente un diagramme de Mollier correspondant au système 100 de la figure 2. Dans ce diagramme sont illustrés les différents points et points de jonction décrit pour la figure 2. En particulier, le diagramme montre qu'entre le point 118 et le point 119, le fluide frigorigène principal traverse le deuxième compresseur 20 ce qui conduit à l'augmentation de sa température et de sa pression (P2). Au point de jonction 120, le fluide frigorigène principal est mélangé avec le fluide frigorigène secondaire ce qui conduit à un abaissement de la température du fluide frigorigène principal. Le fluide frigorigène principal après mélange traverse le premier compresseur 22 ce qui entraîne une augmentation de sa température et de sa pression (PI).
Cependant, la température du fluide frigorigène en sortie du premier compresseur 22 est bien inférieure à la température qu'aurait le fluide frigorigène principal dans un système de l'art antérieur ne comprenant pas de circuit secondaire. En effet, dans un tel système le fluide frigorigène principal traverserait un unique compresseur et aurait une température et une pression correspondant au point 130 du diagramme de Mollier.
Ainsi, le système de l'invention comprenant un circuit de fluide frigorigène secondaire permet d'une part d'abaisser la température du fluide frigorigène en sortie de compresseur et d'autre part, de valoriser le circuit de fluide frigorigène secondaire qui permet, dans le cas d'un fonctionnement en mode climatisation, de refroidir un compartiment du véhicule grâce au deuxième échangeur de chaleur 12.
Selon le mode de réalisation illustré à la figure 2, le système comprend deux compresseurs. Cependant, selon un autre mode de réalisation possible, le système peut comporter un seul compresseur. Selon cet autre mode de réalisation, le point de jonction au niveau duquel le fluide frigorigène secondaire se mélange avec le fluide frigorigène principal peut être situé en amont du compresseur, dans ce cas il n'y a que deux niveaux de pression P3 et PI.
Mode chauffage
La figure 4 est une vue schématique d'un système de conditionnement d'air 200 selon un mode de réalisation de l'invention, le système 200 fonctionnant en mode pompe à chaleur ou chauffage. Selon ce mode de réalisation, le système 200 est destiné à chauffer un habitacle de véhicule automobile 202. Les changements de température et de pression du fluide frigorigène dans le système 200 de la figure 4 sont représentés sur le diagramme de Mollier de la figure 5.
Le système 200 comprend un circuit principal 204 dans lequel circule le fluide frigorigène principal et un circuit secondaire 206 dans lequel circule un fluide frigorigène secondaire.
Le fluide frigorigène principal sort du premier compresseur 22 au niveau du point de jonction 210 à une température et une pression (PI) hautes. La vanne de contrôle 60 étant fermée lors du fonctionnement en mode pompe à chaleur, le fluide frigorigène principal traverse la vanne de contrôle 62 puis le troisième échangeur de chaleur intérieur 16 fonctionnant en mode condenseur. Lors de son passage dans le troisième échangeur de chaleur intérieur 16, le fluide frigorigène principal échange de la chaleur avec le flux d'air I' plus froid. Au point 211, le fluide frigorigène principal a alors été refroidit sans variation significative de sa pression et un flux d'air Γ plus chaud que le flux d'air I' est alors délivré dans l'habitacle du véhicule. Le flux d'air I' correspond au flux d'air I (provenant de l'extérieur ou de l'habitacle) chauffé par le premier échangeur de chaleur 14 et éventuellement chauffé au préalable par le deuxième échangeur de chaleur 12.
Le fluide frigorigène principal traverse ensuite la vanne anti-retour 76 puis le détendeur 52 totalement ouvert et qui ne modifie donc ni la température ni la pression du fluide frigorigène principal. Le fluide frigorigène principal traverse alors l'échangeur de chaleur intérieur 14 dans lequel le fluide frigorigène principal échange de la chaleur avec le flux d'air I ou le flux d'air I (plus froids) pour délivrer un flux d'air I' plus chaud. En aval du premier échangeur de chaleur 14, le fluide frigorigène principal a donc été refroidit et un flux d'air I' réchauffé est soufflé vers le troisième échangeur de chaleur intérieur 16.
Selon ce mode de réalisation, le circuit principal comprend deux échangeurs de chaleur intérieurs 14 et 16. Cependant, le système peut fonctionner avec uniquement un des échangeurs de chaleur intérieurs 16 ou 14.
Le fluide frigorigène principal traverse ensuite la vanne anti-retour 74 puis circule jusqu'au point de jonction 212 au niveau duquel une portion du fluide frigorigène principal, appelée fluide frigorigène secondaire, est dirigée vers le circuit secondaire 206.
Dans le circuit principal 204, à partir du point de jonction 212, le fluide frigorigène principal traverse l'échangeur de chaleur interne 40 dans lequel il est légèrement refroidit par échange de la chaleur avec le fluide frigorigène secondaire (cette partie sera expliquée lorsque le circuit secondaire sera décrit). Le fluide frigorigène principal traverse le détendeur 50 dans lequel la pression du fluide frigorigène principal est abaissée à une pression basse (P3). Au point 216, le fluide frigorigène principal est à une température plus basse que l'air extérieur. Le fluide frigorigène principal traverse alors l'échangeur de chaleur extérieur 10 qui fonctionne en évaporateur, l'enthalpie du fluide frigorigène principal est alors augmentée sans modification significative de pression.
Le fluide frigorigène traverse ensuite la vanne anti-retour 70, la vanne de contrôle 64 et l'accumulateur 30 dans lequel un éventuel reliquat de fluide frigorigène liquide est retenu. Le fluide frigorigène à une pression basse (P3) traverse alors le deuxième compresseur 20 dans lequel la pression du fluide frigorigène principal est augmentée à une pression intermédiaire (P2), en particulier à une pression inférieure à la pression haute (Pl) du fluide frigorigène principal et supérieure à la pression basse (P3) du fluide frigorigène principal. Au point 219, à sa sortie du deuxième compresseur 20, le fluide frigorigène est donc à une température légèrement supérieure à la température au point 218 et à la pression intermédiaire (P2).
Comme expliqué précédemment, au point de jonction 212, une portion du fluide frigorigène principal, appelée fluide frigorigène secondaire est dirigée vers le circuit secondaire 206. Après le point de jonction 212, le fluide frigorigène secondaire traverse le détendeur thermostatique 54 dans lequel la pression du fluide frigorigène secondaire est abaissée à une pression intermédiaire (P2), en particulier à une pression inférieure à la pression haute (Pl) du fluide frigorigène principal et supérieure à la pression basse (P3) du fluide frigorigène principal.
Lors de son passage dans le deuxième échangeur thermique 12 qui fonctionne ici en condenseur, le fluide frigorigène secondaire est refroidit par échange de la chaleur avec le flux d'air I provenant de l'extérieur ou de l'habitacle. Le flux d'air I est alors réchauffé en un flux d'air I. Avantageusement, ce flux d'air I peut être utilisé pour chauffer au moins un compartiment du véhicule. Le flux d'air I peut également être utilisé pour chauffer l'habitacle du véhicule, soit directement, soit en constituant un flux d'air pré-chauffé qui est ensuite chauffé à une température plus haute par le premier échangeur de chaleur 14 conduisant au flux d'air I' destiné à chauffer l'habitacle. Ainsi, dans le système de l'invention, le circuit secondaire dans lequel circule le fluide frigorigène secondaire est valorisé.
Selon une variante possible, lors de son passage dans le deuxième échangeur thermique 12 qui fonctionne ici en condenseur, le fluide frigorigène échange de la chaleur avec une source de chaleur autre que le flux d'air I. Cette source de chaleur peut par exemple être le système de batterie, l'électronique de puissance embarquée sur véhicule ou par exemple le liquide caloporteur (aussi appelé coolant) permettant d'assurer la gestion thermique du système de batterie ou de l'électronique de puissance. Dans ces différents cas, nous pouvons voir que l'échangeur thermique 12 peut être un échangeur air/réfrigérant, réfrigérant/liquide caloporteur ou par exemple une plaque batterie dans le cas d'un refroidissement direct.
La température du fluide frigorigène secondaire est ensuite augmentée lors de son passage dans l'échangeur de chaleur interne 40 dans lequel le fluide frigorigène secondaire échange de la chaleur avec le fluide frigorigène principal. Le fluide frigorigène secondaire est ainsi chauffé entre le point 224 et le point 226 et le fluide frigorigène principal est refroidit entre le point 212 et le point 214 (voir diagramme de Mol lier de la figure 5).
Le fluide frigorigène secondaire circule ensuite jusqu'au point de jonction 220 au niveau duquel il est mélangé avec le fluide frigorigène principal plus chaud venant de sortir du deuxième compresseur 20. La température de fluide frigorigène principal est alors abaissée avant son entrée dans le premier compresseur 22. Le mélange du fluide frigorigène principal et du fluide frigorigène secondaire est comprimé par le premier compresseur 22 conduisant au fluide frigorigène principal au point 210 ayant une pression (PI) et une température hautes.
La figure 5 illustre un diagramme de Mollier correspondant au système 200 de la figure 4. Dans ce diagramme sont illustrés les différents changements de température et de pression décrits pour la figure 4. En particulier, entre le point 218 et le point 219, le fluide frigorigène principal traverse le deuxième compresseur 20 ce qui conduit à l'augmentation de sa température et de sa pression (P2). Au point de jonction 220, le fluide frigorigène principal a été mélangé avec le fluide frigorigène secondaire ce qui a conduit à un abaissement de la température du fluide frigorigène principal. Le fluide frigorigène principal, après mélange avec le fluide frigorigène secondaire traverse le premier compresseur 22 ce qui entraîne une augmentation de sa température et de sa pression (point 210).
Cependant, la température en sortie du premier compresseur 22 est bien inférieure à la température qu'aurait le fluide frigorigène principal dans un système de l'art antérieur ne comprenant pas de circuit secondaire. En effet, dans un tel système le fluide frigorigène principal traverserait un unique compresseur et aurait une température et une pression correspondant au point 230 du diagramme de Mollier.
Ainsi, le système de l'invention comprenant un circuit de fluide frigorigène secondaire permet d'une part d'abaisser la température du fluide frigorigène en sortie de compresseur et d'autre part, de valoriser le circuit de fluide frigorigène secondaire qui permet, dans le cas d'un fonctionnement en mode pompe à chaleur ou chauffage, de chauffer un compartiment du véhicule grâce au deuxième échangeur de chaleur 12.
Selon le mode de réalisation illustré à la figure 4, le système comprend deux compresseurs. Cependant, selon un autre mode de réalisation possible, le système peut comporter un seul compresseur. Selon cet autre mode de réalisation, le point de jonction au niveau duquel le fluide frigorigène secondaire se mélange avec le fluide frigorigène principal peut être situé en amont du compresseur ou en aval du compresseur.
Déshumidification
La figure 6 est une vue schématique d'un système de conditionnement d'air 300 selon un mode de réalisation l'invention, le système 300 fonctionnant en mode déshumidification. Ce mode est compatible avec le mode climatisation et avec le mode pompe à chaleur ou chauffage. Selon ce mode de réalisation, le système est destiné à climatiser un habitacle de véhicule automobile 302 en ayant au préalable déshumidifié l'air.
Le système comprend un premier circuit principal 304, un deuxième circuit principal 308 et un circuit secondaire 306.
Selon ce mode de réalisation, les deux vannes de contrôle 60 et 62 sont ouvertes. Le fluide frigorigène principal circulant dans le système sort du premier compresseur 22 à une température et une pression (Pl) hautes. A partir du point de jonction 310, le premier fluide frigorigène principal emprunte le premier circuit principal et traverse ainsi la vanne de contrôle 60, l'échangeur de chaleur extérieur 10 fonctionnant en mode condenseur, la vanne anti-retour 72 et circule jusqu'au point de jonction 312 (le fonctionnement est identique à celui de la figure 2 entre les points 110 et 112). Au point de jonction 312, une portion du premier fluide frigorigène principal, appelée fluide frigorigène secondaire est dirigée vers le circuit secondaire 306.
Dans le circuit principal 304, à partir du point de jonction 312, le premier fluide frigorigène principal traverse l'échangeur de chaleur interne 40 dans lequel il est légèrement refroidit par échange de chaleur avec le fluide frigorigène secondaire. Le premier fluide frigorigène principal traverse ensuite la vanne anti-retour 78 puis est mélangé au deuxième fluide frigorigène principal au point de jonction 315.
Le deuxième fluide frigorigène principal a circulé au préalable dans le deuxième circuit principal 308 dans lequel, à partir du point de jonction 310, il a traversé la vanne de contrôle 62, le troisième échangeur de chaleur 16 fonctionnant en mode condenseur puis la vanne anti-retour 76.
Le fluide frigorigène principal résultant du mélange du premier et du deuxième fluide frigorigène principal traverse le détendeur 52 dont l'ouverture a été restreinte afin que le fluide frigorigène principal soit détendu à une pression P3. Ainsi, l'un et/ou l'autre des flux d'air I et I est refroidit par le premier échangeur de chaleur 14 à une température très basse permettant ainsi sa déshumidification. Le flux d'air I' résultant est à une température trop basse pour être délivré dans l'habitacle du véhicule et est alors chauffé par le troisième échangeur de chaleur 16 fonctionnant en condenseur.
Le premier fluide frigorigène principal sort ensuite du premier échangeur de chaleur 14 au point 318 en ayant été réchauffé, passe par la vanne de contrôle 66, puis par l'accumulateur 30 et traverse ensuite le deuxième compresseur 20. Au point 319, le fluide frigorigène principal est à une température plus élevée qu'au point 318 et à une pression intermédiaire.
Le circuit secondaire 306 fonctionne comme le circuit secondaire 206 décrit pour la figure 2.
A partir du point de jonction 312, le fluide frigorigène secondaire est amené à une pression intermédiaire (P2) par le détendeur 54 thermostatique puis il traverse le deuxième échangeur de chaleur 12. Dans le cas où le système fonctionne en mode climatisation, le flux d'air I est légèrement refroidit par le deuxième échangeur de chaleur et le flux d'air I résultant peut être utilisé pour être déshumidifié par le premier échangeur de chaleur 14 afin d'être délivré dans l'habitacle du véhicule.
Selon une variante possible, lors de son passage dans le deuxième échangeur thermique 12 qui fonctionne ici en évaporateur, le fluide frigorigène échange de la chaleur avec une source de chaleur autre que le flux d'air I. Cette source de chaleur peut par exemple être le système de batterie, l'électronique de puissance embarquée sur véhicule ou par exemple le liquide caloporteur permettant d'assurer la gestion thermique du système de batterie ou de l'électronique de puissance. Dans ces différents cas, nous pouvons voir que l'échangeur thermique 12 peut être un échangeur air/réfrigérant, réfrigérant/liquide caloporteur ou par exemple une plaque batterie dans le cas d'un refroidissement direct.
Dans le cas où le système fonctionne en mode pompe à chaleur ou chauffage, le flux d'air I est légèrement réchauffé et le flux d'air I résultant peut être utilisé pour chauffer un élément ou compartiment du véhicule, ou être déshumidifié par le premier échangeur de chaleur 14 afin d'être délivré dans l'habitacle du véhicule.
Au point 324, à la sortie du deuxième échangeur de chaleur 12, le fluide frigorigène secondaire passe à travers l'échangeur de chaleur interne 40 et est réchauffé par échange de chaleur avec le premier fluide frigorigène principal. Le fluide frigorigène secondaire est ensuite mélangé avec le fluide frigorigène principal au point 320 et le fluide frigorigène principal résultant du mélange passe par le premier compresseur 22 dans lequel il est amené à une température et une pression (PI) haute (point 310).
Ainsi, dans le mode de déshumidification qui est compatible avec le mode climatisation et avec le mode pompe à chaleur (ou chauffage), de l'air provenant de l'extérieur, de l'habitacle ou du deuxième échangeur de chaleur 12 est refroidit à une température très basse par le premier échangeur de chaleur 14 pour être déshumidifié puis est réchauffé par le troisième échangeur de chaleur 16 à la température souhaitée pour être délivré dans l'habitacle.
Comme dans les modes de climatisation ou de pompe à chaleur sans déshumidification, le circuit secondaire 306 dans lequel circule le fluide frigorigène secondaire à la pression intermédiaire (P2) est valorisé puisqu'il peut servir à refroidir ou à chauffer un compartiment du véhicule comme, par exemple, l'habitacle ou la batterie. Le circuit secondaire 306 permet avantageusement d'abaisser la température du fluide frigorigène principal en sortie du premier compresseur 22 au point 310. En effet, comme illustré sur la figure 6, dans un système de l'art antérieur ne comprenant pas le circuit secondaire, le fluide frigorigène sortirait du compresseur à une température plus élevée (point 330) que dans le système de l'invention.
Récupération de chaleur
La figure 8 est une vue schématique d'un système de conditionnement d'air 400 selon un mode de réalisation de l'invention, le système 400 fonctionnant en mode récupération de chaleur.
Selon ce mode de réalisation, le fluide frigorigène sort du premier compresseur 22 au point 410 à une température et une pression hautes. Il traverse la vanne de contrôle 62 puis le troisième échangeur de chaleur 16 qui fonctionne en condenseur et dans lequel le fluide frigorigène est refroidit. Le fluide frigorigène traverse alors la vanne anti-retour 76 puis le détendeur 52. Au point 414, le fluide frigorigène est à une température et une pression basses et traverse le premier échangeur de chaleur 14 qui fonctionne en mode évaporateur. Le fluide frigorigène ainsi réchauffé traverse la vanne de contrôle 66, l'accumulateur 30 puis le premier compresseur 22 et le deuxième compresseurs 20.
Selon ce mode de réalisation, un flux d'air I provenant de l'habitacle est refroidit et déshumidifié par le premier échangeur de chaleur 14 conduisant au flux d'air Γ qui est ensuite réchauffé par le troisième échangeur de chaleur 16. Le flux d'air Γ résultant déshumidifié et chauffé est délivré dans l'habitacle 402 du véhicule.
Selon une variante possible, le système fonctionnant en mode récupération de chaleur peut ne comprendre qu'un compresseur.
Le mode de récupération de chaleur est notamment utilisé lorsque le système fonctionnait initialement en mode pompe à chaleur et que du givre s'est formé sur l'échangeur de chaleur extérieur 10. L'échangeur de chaleur extérieur 10 étant inopérant, le mode de récupération de chaleur permet de continuer à délivrer dans l'habitacle du véhicule un flux d'air chaud et donc de maintenir une bonne température.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de conditionnement d'air (1) pour véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend :
    -un circuit principal (104, 204, 304) dans lequel circule un fluide frigorigène principal, ledit circuit principal comprenant au moins un premier échangeur de chaleur extérieur (10) destiné à réaliser un échange de chaleur entre le fluide frigorigène principal et un flux d'air extérieur (E), et au moins un premier échangeur de chaleur intérieur (14) destiné à réaliser un échange de chaleur entre ledit fluide frigorigène principal et un flux d'air (I, I) destiné à être délivré dans un premier compartiment (82),
    -un circuit secondaire (106, 206, 306) dans lequel circule un fluide frigorigène secondaire, ledit fluide frigorigène secondaire étant une portion dudit fluide frigorigène principal, ledit circuit secondaire comprenant au moins un deuxième échangeur de chaleur intérieur (12) destiné à réaliser un échange de chaleur entre ledit fluide frigorigène secondaire et un flux d'air (I) destiné à être délivré dans le premier compartiment (82) ou dans un deuxième compartiment.
    ledit système étant destiné à pouvoir fonctionner en mode pompe à chaleur et en mode climatisation.
  2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un point de jonction (120, 220, 320, 420) au niveau duquel le fluide frigorigène principal à une température Tl et le fluide frigorigène secondaire à une température T2 sont mélangés.
  3. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système comprend au moins un premier compresseur (22), le point de jonction (120, 220, 320, 420) étant situé en amont dudit premier compresseur (22).
  4. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le système comprend au moins un deuxième compresseur (20).
  5. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système comprend un troisième échangeur de chaleur intérieur (16) qui permet de compléter l'action du premier échangeur de chaleur intérieur.
  6. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le système permet la déshumidification de l'air destiné à être délivré dans le premier compartiment (82).
  7. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur interne (40) permettant un échange de chaleur entre le fluide frigorigène principal et le fluide frigorigène secondaire.
  8. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un accumulateur (30).
  9. 9. Procédé de conditionnement d'air utilisant le système de conditionnement d'air selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant :
    - une première étape d'échange de chaleur entre le fluide frigorigène principal et un flux d'air (I, I) destiné à être délivré dans le premier compartiment du véhicule et
    - une deuxième étape d'échange de chaleur entre le fluide frigorigène secondaire et un flux d'air (I) destiné à être délivré dans le premier compartiment ou dans le deuxième compartiment.
  10. 10. Véhicule automobile comprenant le système de conditionnement d'air selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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