FR3079919A1 - Dispositif de climatisation reversible pour vehicule automobile et vehicule automobile comportant un tel dispositif. - Google Patents

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Abstract

L'invention se rapporte à un Dispositif de climatisation (1) réversible pour véhicule automobile, le dispositif de climatisation (1) comportant : - un premier circuit (2), ou circuit de production (2), dans lequel circule un gaz, le circuit de production (2) assurant la production de froid et de chaleur, le circuit de production (2) comportant un tube de Ranque-Hilsch (12), ou tube vortex (12), et un réservoir de stockage (10) de gaz sous pression ; - un deuxième circuit (3), ou circuit de distribution (3), dans lequel circule un fluide caloporteur, le circuit de distribution (3) assurant la distribution de froid lorsque le dispositif de climatisation (1) est en mode climatisation, et la distribution de chaleur lorsque le dispositif de climatisation (1) est en mode chauffage ; le dispositif de climatisation (1) comportant un échangeur thermique (44) relié d'une part au circuit de production (2) et relié d'autre part au circuit de distribution (3), le dispositif de climatisation (1) étant configuré pour assurer dans l'échangeur thermique (44) un échange thermique entre le gaz du circuit de production (2) et le fluide caloporteur du circuit de distribution (3) de manière à refroidir le fluide caloporteur lorsque le dispositif de climatisation (1) est en mode climatisation, et à le réchauffer lorsque le dispositif de climatisation (1) est en mode chauffage.

Description

Dispositif de climatisation réversible pour véhicule automobile et véhicule automobile comportant un tel dispositif
L’invention se rapporte au domaine de la climatisation des véhicules automobiles, et notamment des véhicules automobiles comportant un moteur électrique et de ceux comportant un moteur thermique susceptible de rester éteint durant des périodes importantes, comme par exemple les véhicules à propulsion hybride thermique/électrique ou les véhicules à moteur thermique comportant un système d’arrêt et de redémarrage automatique du moteur.
La climatisation est un élément de confort de plus en plus souvent installé dans les véhicules automobiles. De manière connue, un dispositif de climatisation pour véhicule automobile comporte quatre éléments principaux : un compresseur, un condenseur, un détendeur, et un évaporateur. Ces quatre éléments sont disposés au sein d’un circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène (ou fluide réfrigérant). Le rôle du compresseur est d’assurer la circulation du fluide frigorigène dans le circuit en aspirant ce fluide à l’état gazeux, et de comprimer ce fluide et de l’envoyer vers le condenseur sous forme de gaz à haute pression et haute température. Le condenseur est un échangeur thermique dans lequel le fluide caloporteur passe de l’état gazeux à l’état liquide, étape durant laquelle le fluide cède une partie de son énergie thermique, avant de passer dans le détendeur. Le rôle du détendeur est de faire chuter la pression, et donc la température du fluide caloporteur. Enfin, le rôle de l’évaporateur est de faire passer le fluide caloporteur de l’état liquide à l’état gazeux. Durant ce changement de phase, le fluide caloporteur absorbe la chaleur de l’air qui traverse l’évaporateur. L’air ainsi refroidi est envoyé vers l’habitacle au moyen d’un système de ventilation. En sortie d’évaporateur, le fluide caloporteur à l’état gazeux est aspiré par le compresseur et entame ainsi un nouveau cycle.
Sur les véhicules équipés d’un moteur thermique, le compresseur est entraîné par le moteur du véhicule, par l’intermédiaire d’une courroie (on utilise alors généralement la dénomination de « compresseur mécanique »). Toutefois, les véhicules comportant une propulsion hybride mettant en oeuvre un moteur thermique et un moteur électrique sont susceptibles d’être propulsés durant des périodes relativement longues sans que le moteur thermique ne soit sollicité. Il est dans ce cas nécessaire de prévoir un compresseur qui puisse être entraîné même lorsque le moteur thermique ne fonctionne pas. Il est connu d’utiliser à cet effet un compresseur électrique, c’est-à-dire un compresseur alimenté par énergie électrique. Toutefois, un tel compresseur présente l’inconvénient d’être relativement coûteux et de consommer une énergie électrique importante. Il est également connu d’employer un compresseur électrique sur les véhicules électriques.
Les véhicules automobiles sont également équipés d’un dispositif de chauffage. Sur un véhicule comportant un moteur thermique, on utilise l’énergie thermique produite par le moteur pour réchauffer l’habitacle du véhicule, par l’intermédiaire d’un aérotherme. Dans le cas d’un véhicule électrique, il est connu d’utiliser une résistance électrique.
Certains véhicules comportent des dispositifs permettant d’assurer à la fois la climatisation et le chauffage de l’habitacle. Dans le cas d’un véhicule électrique, un tel dispositif met généralement en oeuvre une pompe à chaleur.
L’ensemble des dispositifs connus présente l’inconvénient de nécessiter une énergie importante ayant un impact négatif sur la consommation du véhicule (pour les véhicules comportant un moteur thermique), et sur l’autonomie des batteries (pour les véhicules comportant un moteur électrique, qu’ils soient hybrides ou purement électriques).
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de l’état de la technique, et plus particulièrement ceux ci-dessus exposés, en proposant un dispositif de climatisation réversible (c’est-à-dire un dispositif assurant la climatisation et le chauffage) pour véhicule automobile, permettant de réduire la surconsommation due à un compresseur mécanique dans le cas d’un moteur thermique et la perte d’autonomie dans le cas d’un véhicule électrique ou hybride, et qui soit apte à fonctionner, dans le cas d’un véhicule équipé d’un moteur thermique, même lorsque le moteur est momentanément arrêté.
À cet effet, l’invention concerne un dispositif de climatisation réversible pour véhicule automobile, le dispositif de climatisation comportant :
- un premier circuit, ou circuit de production, dans lequel circule un gaz, le circuit de production assurant la production de froid et de chaleur, le circuit de production comportant un tube de Ranque-Hilsch, ou tube vortex, et un réservoir de stockage de gaz sous pression ;
- un deuxième circuit, ou circuit de distribution, dans lequel circule un fluide caloporteur, le circuit de distribution assurant la distribution de froid lorsque le dispositif de climatisation est en mode climatisation, et la distribution de chaleur lorsque le dispositif de climatisation est en mode chauffage ;
le dispositif de climatisation comportant un échangeur thermique relié d’une part au circuit de production et relié d’autre part au circuit de distribution, le dispositif de climatisation étant configuré pour assurer dans l’échangeur thermique un échange thermique entre le gaz du circuit de production et le fluide caloporteur du circuit de distribution de manière à refroidir le fluide caloporteur lorsque le dispositif de climatisation est en mode climatisation, et à le réchauffer lorsque le dispositif de climatisation est en mode chauffage.
Ainsi, en combinant un circuit de production de froid et de chaleur mettant en oeuvre un tube de Ranque-Hilsch et un circuit de distribution de froid ou de chaleur mettant en oeuvre un fluide caloporteur, l’invention permet de fournir instantanément de l’air froid ou de l’air chaud dans l’habitable du véhicule, même lorsque le moteur thermique du véhicule ne fonctionne pas, par exemple durant les phases de mise en veille automatique (lorsque le véhicule est équipé d’un système de mise en veille connu sous l’appellation « start and stop »). Le réservoir de stockage peut être alimenté en gaz sous pression par un compresseur de type électrique ou mécanique, et est donc compatible avec tous les types de propulsion (thermique, électrique et hybride). Comme il n’est pas nécessaire d’alimenter le réservoir sous pression en permanence lorsque le dispositif de climatisation est sollicité, l’invention permet d’optimiser la surconsommation d’énergie liée à l’utilisation du dispositif, ce qui permet d’améliorer la consommation du véhicule (en cas de propulsion à moteur thermique) et/ou l’autonomie des batteries (en cas de propulsion électrique ou hybride). Par ailleurs, le dispositif de climatisation conforme à l’invention ne nécessite pas d’utiliser de fluide frigorigène classique (tel que les chlorofluorocarbones), puisque le fluide caloporteur du circuit de distribution peut avantageusement être de l’eau glycolée. De manière générale, le dispositif de climatisation conforme à l’invention est compact, fiable, économique et durable.
Dans une réalisation, le tube vortex comporte :
- une entrée, reliée au réservoir de stockage ;
- une sortie froide, reliée à une première vanne de retour, la première vanne de retour permettant de diriger sélectivement le gaz issu de la sortie froide vers une première canalisation de retour ou vers une vanne de distribution connectée au circuit de distribution ;
- une sortie chaude, reliée à une deuxième vanne de retour, la deuxième vanne de retour permettant de diriger sélectivement le gaz issu de la sortie chaude vers une deuxième canalisation de retour ou vers la vanne de distribution.
Dans une réalisation, chacune des première et deuxième canalisations de retour est reliée à un réservoir de mélange.
Dans une réalisation, le dispositif de climatisation comporte un compresseur pour alimenter en gaz sous pression le réservoir de stockage.
Dans une réalisation, le compresseur est alimenté par le réservoir de mélange.
Dans une réalisation, la vanne de distribution est reliée à une entrée de l’échangeur thermique.
Dans une réalisation, en sortie de l’échangeur thermique, le gaz du circuit de production est dirigé vers le réservoir de mélange, par rintermédiaire d’une troisième canalisation de retour.
Dans une réalisation, la troisième canalisation de retour comporte un dispositif de séparation, permettant de séparer le gaz des condensais, telle qu’une bouteille déshydratante.
Dans une réalisation, le circuit de distribution comporte un échangeur thermique liquide/gaz, tel qu’un aérotherme.
Dans une réalisation, le fluide caloporteur du circuit de distribution est un liquide, tel que de l’eau glycolée.
L’invention concerne également un véhicule automobile comportant un dispositif de climatisation réversible tel que défini ci-dessus.
Dans une réalisation, le véhicule est à propulsion thermique ou électrique.
Dans une réalisation, le véhicule est de type hybride thermique/électrique et comporte donc au moins un moteur thermique et au moins un moteur électrique.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, faite en référence au dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 montre un dispositif de climatisation réversible conforme à l’invention, fonctionnant dans une configuration de climatisation ;
- la figure 2 montre le dispositif de la figure 1 dans une configuration de chauffage.
La figure 1 représente schématiquement un dispositif de climatisation 1 réversible conforme à l’invention, destiné à être embarqué dans un véhicule automobile.
Le dispositif de climatisation 1 comporte un premier circuit 2, ou circuit de production 2, assurant la production de froid et de chaleur, et un deuxième circuit 3, ou circuit de distribution 3, assurant la distribution de froid (lorsque le dispositif de climatisation 1 réversible est en mode climatisation) et de chaleur (lorsque le dispositif de climatisation 1 est en mode chauffage). Le circuit de production 2 comporte un réservoir de stockage 10 de gaz sous pression, destiné à alimenter un tube de Ranque-Hilsch, ou tube vortex 12. Le réservoir de stockage 10 est relié à l’entrée 120 du tube vortex 12 par une canalisation d’alimentation 14. La canalisation d’alimentation 14 comporte, en sortie du réservoir de stockage 10, une vanne d’arrêt 16.
Le tube vortex 12 comporte une sortie froide 122 et une sortie chaude 124. La sortie froide 122 du tube vortex 12 est reliée par une canalisation de sortie froide 18 à une première vanne de retour 20. La sortie chaude 124 du tube vortex 12 est reliée par une canalisation de sortie chaude 22 à une deuxième vanne de retour 24. Les première et deuxième vannes de retour 20, 24 sont des vannes à trois voies. La première vanne de retour 20 est connectée, d’une part, à une première canalisation de retour 26, et, d’autre part, à une première canalisation de sortie 28. La deuxième vanne de retour 24 est connectée, d’une part, à une deuxième canalisation de retour 30, et, d’autre part, à une deuxième canalisation de sortie 32. Les première et deuxième canalisations de sortie 28, 32 sont connectées chacune à une vanne de distribution 34. La vanne de distribution 34 est une vanne à trois voies qui est en outre connectée à une canalisation de distribution 36.
Chacune des première et deuxième canalisations de retour 26, 30 est connectée à un réservoir de mélange 38. Le réservoir de mélange 38 est reliée par une canalisation d’admission à un compresseur 40. La sortie du compresseur 40 est reliée à l’entrée du réservoir de stockage 10, par l’intermédiaire d’une canalisation comportant un clapet anti-retour 42.
La canalisation de distribution 36 est reliée à une entrée d’un échangeur thermique 44, dans l’exemple un échangeur liquide/gaz. L’échangeur thermique 44 comporte une sortie connectée à une troisième canalisation de retour 46, cette dernière étant reliée au réservoir de mélange 38. La troisième canalisation de retour 46 intègre dans l’exemple des figures un dispositif de séparation 48, permettant de séparer le gaz des condensats éventuels.
L’échangeur thermique 44 permet l’échange de chaleur entre le gaz provenant de la canalisation de distribution 36 et un liquide circulant dans le circuit de distribution 3. Le liquide du circuit de production 3 (qui peut être par exemple de l’eau glycolée) circule à travers l’échangeur thermique 44 puis un aérotherme 50 permettant un échange thermique entre ce liquide et l’habitacle d’un véhicule équipé d’un dispositif conforme à l’invention.
On décrit ci-après le fonctionnement du dispositif conforme à l’invention, respectivement dans une configuration de climatisation (illustrée à la figure 1 ) et dans une configuration de chauffage (illustrée à la figure 2).
Comme illustré sur la figure 1, lorsque le dispositif conforme à l’invention est activé en mode climatisation, la vanne d’arrêt 16 est en position ouverte, et laisse passer le gaz comprimé contenu dans le réservoir de stockage
10. Le gaz comprimé circule dans la canalisation d’alimentation 14 vers l’entrée du tube vortex 12. Conformément au principe du tube de Ranque-Hilsch, le gaz sous pression progresse dans le tube vortex 12 selon un mouvement tourbillonnant et est ensuite séparé en deux fractions : une première fraction du gaz, refroidie, est évacuée du tube vortex 12 par la sortie froide 122, tandis qu’une deuxième fraction, réchauffée, est évacuée par la sortie chaude 124.
Lorsque le dispositif 1 est utilisé en mode climatisation, c’est la fraction refroidie du gaz après circulation dans le tube vortex qui est utilisée. La première vanne de retour 20 est donc configurée de manière à diriger le gaz provenant de la sortie froide 122 du tube vortex 12 vers la première canalisation de sortie 28, et donc vers la vanne de distribution 34 (cf. flèches Fi). La deuxième vanne de retour 24 est quant à elle configurée de manière à diriger le gaz provenant de la sortie chaude 124 du tube vortex vers la deuxième canalisation de retour 30, ce qui permet de renvoyer la fraction du gaz réchauffée directement vers le réservoir de mélange 38 (cf. flèches F2).
La fraction refroidie du gaz est, par l’intermédiaire de la vanne de distribution 34 et de la canalisation de distribution 36, dirigée vers l’échangeur thermique 44 (cf. flèche F3). Dans l’échangeur thermique 44, le liquide circulant dans le circuit de distribution 3 se refroidit en cédant des calories à la fraction refroidie du gaz qui se réchauffe. En sortie de l’échangeur thermique 44, le gaz est retourné vers le réservoir de mélange 38, par l’intermédiaire de la troisième canalisation de retour 46 (cf. flèches F4). En sortie de l’échangeur thermique 44, le liquide circulant dans le circuit de distribution 3 traverse l’aérotherme 50. Au sein de l’aérotherme 50, le liquide du circuit de distribution 3 se réchauffe en récupérant des calories que cède l’air circulant à travers l’aérotherme 50, qui se refroidit. Cet air froid est ensuite soufflé dans l’habitacle du véhicule pour le refroidir.
On décrit ci-après le fonctionnement du dispositif 1 en relation avec la figure 2, qui illustre ce dispositif en configuration chauffage.
Comme illustré sur la figure 2, lorsque le dispositif conforme à l’invention est activé en mode chauffage, la vanne d’arrêt 16 est en position ouverte, et laisse passer le gaz comprimé contenu dans le réservoir de stockage
10. Le gaz comprimé circule dans la canalisation d’alimentation 14 vers l’entrée du tube vortex 12. De même que pour la figure 1, le gaz injecté dans le tube vortex 12 est séparé en deux fractions : une fraction refroidie, évacuée du tube vortex 12 par la sortie froide 122, et une fraction réchauffée, évacuée par la sortie chaude 124.
Lorsque le dispositif de climatisation 1 est utilisé en mode chauffage, c’est la fraction réchauffée du gaz après circulation dans le tube vortex qui est utilisée. La deuxième vanne de retour 24 est donc configurée de manière à diriger le gaz provenant de la sortie chaude 124 du tube vortex 12 vers la deuxième canalisation de sortie 32, et donc vers la vanne de distribution 34 (cf. flèches Fs). La première vanne de retour 20 est quant à elle configurée de manière à diriger le gaz provenant de la sortie froide 122 du tube vortex 12 vers la première canalisation de retour 26, ce qui permet de renvoyer la fraction du gaz refroidie directement vers le réservoir de mélange 38 (cf. flèches Fe).
La fraction réchauffée du gaz est, par l’intermédiaire de la vanne de distribution 34 et de la canalisation de distribution 36, dirigée vers l’échangeur thermique 44 (cf. flèche F?). Dans l’échangeur thermique 44, la fraction réchauffée du gaz cède des calories au liquide circulant dans le circuit de distribution 3 qui se réchauffe. En sortie de l’échangeur thermique 44, le gaz est retourné vers le réservoir de mélange 38, par l’intermédiaire de la troisième canalisation de retour 46 (cf. flèches Fs). En sortie de l’échangeur thermique 44, le liquide circulant dans le circuit distribution 3 traverse l’aérotherme 50. Au sein de l’aérotherme 50, le liquide du circuit distribution 3 se refroidit en cédant des calories à l’air circulant à travers l’aérotherme 50, qui se réchauffe. Cet air chaud est ensuite soufflé dans l’habitacle du véhicule pour le réchauffer.
On notera que le gaz sous pression contenu dans le circuit de production 2 circule dans ce dernier en circuit fermé. Toutefois, on pourra avantageusement prévoir, comme dans l’exemple des figures, une entrée 52 dans le réservoir de mélange 38, permettant d’effectuer une recharge de gaz.
Les éléments nécessaires au fonctionnement du dispositif de climatisation conforme à l’invention seront bien entendu dimensionnés en fonction des performances souhaitées. A titre d’exemple, on pourra prévoir les capacités suivantes :
- la capacité du tube vortex sera par exemple comprise entre 200 et 1000 litres par minute ;
- la capacité du réservoir de stockage sera par exemple comprise entre 5 et 20 litres, de préférence comprise entre 10 et 15 litres et par exemple égale à ou proche de 13 litres ;
- le réservoir de stockage devra être compatible avec une pression interne égale ou supérieure à 150 bar, de préférence au moins égale à 200 bar.
À titre d’exemple, un réservoir stockage d’une capacité d’environ 13 litres permettant de stocker le gaz à une pression d’environ 200 bar permet de faire fonctionner le système de climatisation durant 2 à 3 minutes sans avoir besoin de recharger le réservoir de stockage.
Les avantages du dispositif de climatisation 1 réversible conforme à l’invention sont nombreux. Ce dispositif est compact, fiable, économique et durable (notamment du fait que le tube vortex ne comporte pas de parties mobiles). La production d’air froid et d’air chaud est instantanée. En outre, il permet d’assurer à la fois les fonctions de climatisation et de chauffage sans nécessiter de fluide frigorigène, et donc d’éviter les effets néfastes sur l’environnement dus à l’utilisation de tels fluides. En effet, le gaz utilisé dans le circuit de production de froid et de chaleur 2 pourra être tout gaz ou tout mélange de gaz ne se condensant pas aux températures générées par le fonctionnement du tube vortex (la température en sortie froide pouvant atteindre 50°C de moins que la température du gaz en entrée du tube vortex), comme par exemple de l’air ou un mélange de dioxyde de carbone et d’hélium. En outre, le fluide circulant dans le circuit de distribution est avantageusement de l’eau glycolée, et ne présente donc pas les effets néfastes des fluides frigorigènes traditionnellement utilisés dans les dispositifs de climatisation de véhicules automobiles. Par ailleurs, comme mentionné plus haut, l’utilisation d’un réservoir de stockage de gaz sous pression dans le circuit de production 2 permet d’utiliser, pendant une durée relativement longue, le dispositif de climatisation conforme à l’invention sans que le compresseur (qui pourra être de type mécanique ou électrique), ne fonctionne en permanence. Ainsi le dispositif de climatisation conforme à l’invention pourra être utilisé par exemple durant les 5 périodes de mise en veille du moteur thermique d’un véhicule équipé d’un système de mise en veille (plus connu sous le nom de « start and stop >>). Enfin, que le véhicule comporte un moteur thermique ou électrique (ou les deux, dans le cas d’un véhicule à propulsion hybride), la surconsommation liée au fonctionnement du dispositif de climatisation conforme à l’invention est réduite 10 par rapport aux dispositifs connus, puisqu’il est nécessaire d’utiliser le compresseur uniquement pour recharger le réservoir de stockage en gaz sous pression, et non en permanence lorsque le dispositif de climatisation est sollicité.

Claims (10)

1. Dispositif de climatisation (1) réversible pour véhicule automobile, le dispositif de climatisation (1) comportant :
- un premier circuit (2), ou circuit de production (2), dans lequel circule un gaz, le circuit de production (2) assurant la production de froid et de chaleur, le circuit de production (2) comportant un tube de Ranque-Hilsch (12), ou tube vortex (12), et un réservoir de stockage (10) de gaz sous pression ;
- un deuxième circuit (3), ou circuit de distribution (3), dans lequel circule un fluide caloporteur, le circuit de distribution (3) assurant la distribution de froid lorsque le dispositif de climatisation (1) est en mode climatisation, et la distribution de chaleur lorsque le dispositif de climatisation (1) est en mode chauffage ;
le dispositif de climatisation (1) comportant un échangeur thermique (44) relié d’une part au circuit de production (2) et relié d’autre part au circuit de distribution (3), le dispositif de climatisation (1) étant configuré pour assurer dans l’échangeur thermique (44) un échange thermique entre le gaz du circuit de production (2) et le fluide caloporteur du circuit de distribution (3) de manière à refroidir le fluide caloporteur lorsque le dispositif de climatisation (1 ) est en mode climatisation, et à le réchauffer lorsque le dispositif de climatisation (1) est en mode chauffage.
2. Dispositif de climatisation (1) selon la revendication précédente, dans lequel le tube vortex (12) comporte :
- une entrée (120), reliée au réservoir de stockage (10) ;
- une sortie froide (122), reliée à une première vanne de retour (20), la première vanne de retour (20) permettant de diriger sélectivement le gaz issu de la sortie froide (122) vers une première canalisation de retour (26) ou vers une vanne de distribution (34) connectée au circuit de distribution (3) ;
- une sortie chaude (124), reliée à une deuxième vanne de retour (24), la deuxième vanne de retour (24) permettant de diriger sélectivement le gaz issu de la sortie chaude (124) vers une deuxième canalisation de retour (30) ou vers la vanne de distribution (34).
3. Dispositif de climatisation (1) selon la revendication précédente, dans lequel chacune des première et deuxième canalisations de retour (26, 30) est reliée à un réservoir de mélange (38).
4. Dispositif de climatisation (1) selon l’une des revendications précédentes, comportant un compresseur (40) pour alimenter en gaz sous pression le réservoir de stockage (10).
5. Dispositif de climatisation (1) selon les revendications 3 et 4, dans lequel le compresseur (40) est alimenté par le réservoir de mélange (38).
6. Dispositif de climatisation (1) selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel la vanne de distribution (34) est reliée à une entrée de l’échangeur thermique (44).
7. Dispositif de climatisation (1) selon l’une des revendications 3 à 6, dans lequel, en sortie de l’échangeur thermique (44) le gaz du circuit de production (2) est dirigé vers le réservoir de mélange (38), par l’intermédiaire d’une troisième canalisation de retour (46).
8. Dispositif de climatisation (1) selon la revendication précédente, dans lequel la troisième canalisation de retour (46) comporte un dispositif de séparation (48), permettant de séparer le gaz des condensats, telle qu’une bouteille déshydratante.
9. Dispositif de climatisation (1 ) selon la revendication précédente, dans lequel le circuit de distribution (3) comporte un échangeur thermique liquide/gaz, tel qu’un aérotherme (52).
10. Véhicule automobile comportant un dispositif de climatisation (1) réversible, le dispositif de climatisation (1) étant conforme à l’une des revendications précédentes.
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